Белки и ДНК

Размещено на http://www.allbest.ru/

Хабаровск, 2014 г.

Белки и ДНК

Выполнила:

Ломаева Надежда, 11А

Содержание:

Введение

1. Определение белков

2. Состав белков

3. Структура белковой молекулы

4. Нативность белковой молекулы. Денатурация белка. Факторы денатурации белка.

5. Химические свойства белков

6. Пластический обмен. Биосинтез белков

Заключение

Приложение

белок молекула аминокислота

Введение

Повсюду, где мы встречаем жизнь, мы находим, что она связана с каким-либо белковым телом и повсюду, где мы встречаем какое-либо белковое тело, которое не находится в процессе разложения, мы без исключения встречаем и явления жизни.

Ф. Энгельс

Цель: Изучить свойства, строение белка.

Задачи: Изучение разнообразного материала.

Актуальность: Я считаю, моя тема актуальна, так как тема белков исключительно важна для науки и в быту. Аминокислоты после всасывания используются в организме для синтеза специфических тканевых белков, ферментов, гормонов, гема, биогенных аминов, пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований. В печени из аминокислот синтезируются белки плазмы крови. Методы количественного определения белка в биологических жидкостях (растворах) широко используются в медицинской практике. Количественное определение содержания белка в сыворотке (плазме) крови проводят для диагностики целого ряда заболеваний.

1. Определение белков

Белки - класс биологических полимеров, присутствующих в каждом живом организме. В настоящее время установлено, что в живой природе не существует небелковых организмов. С участием белков проходят основные процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма: дыхание, пищеварение, мышечное сокращение, передача нервных импульсов. Костная ткань, кожный, волосяной покров, роговые образования живых существ состоят из белков.

Растения синтезируют белки (и их составные части - аминокислоты) из углекислого газа СО2 и воды Н2О за счет фотосинтеза, усваивая остальные элементы белков (азот N, фосфор Р, серу S, железо Fe, магний Mg) из растворимых солей, находящихся в почве. Микроорганизмы обычно богаче белком (некоторые же вирусы являются почти чистыми белками).

Животные организмы в основном получают готовые аминокислоты с пищей и на их базе строят белки своей организма. Ряд аминокислот (заменимые аминокислоты) могут синтезироваться непосредственно животными организмами.

Характерной особенностью белков является их многообразие, связанное с количеством, свойствами и способами соединения входящих в их молекулу аминокислот. Белки выполняют функцию биокатализаторов -- ферментов, регулирующих скорость и направление химических реакций в организме. В комплексе с нуклеиновыми кислотами обеспечивают функции роста и передачи наследственных признаков, являются структурной основой мышц и осуществляют мышечное сокращение.

Белками являются ферменты, антитела, многие гормоны и другие биологические активные вещества.

2. Состав белков

Все белки представляют собой полимеры, цепи которых собраны из фрагментов аминокислот. Аминокислоты - это органические соединения, содержащие в своем составе (в соответствии с названием) аминогруппу NH2 и органическую кислотную, т.е. карбоксильную, группу СООН. Из всего многообразия существующих аминокислот (теоретически количество возможных аминокислот неограниченно) в образовании белков участвуют только такие, у которых между аминогруппой и карбоксильной группой - всего один углеродный атом. В общем виде аминокислоты, участвующие в образовании белков, могут быть представлены формулой: H2N-CH(R)-COOH. Группа R, присоединенная к атому углерода (тому, который находится между амино- и карбоксильной группой), определяет различие между аминокислотами, образующими белки. Эта группа может состоять только из атомов углерода и водорода, но чаще содержит помимо С и Н различные функциональные (способные к дальнейшим превращениям) группы, например, HO-, H2N- и др.

В организмах живых существ содержится более 100 различных аминокислот, однако, в строительстве белков используются не все, а только 20, так называемых «фундаментальных». В табл. 1 (см. приложение 1) приведены их названия, структурная формула, а также широко применяемое сокращенное обозначение. Все структурные формулы расположены в таблице таким образом, чтобы основной фрагмент аминокислоты находился справа.

Среди этих двадцати аминокислот (табл. 1, см приложение 1) только пролин содержит рядом с карбоксильной группой СООН группу NH (вместо NH2), так как она входит в состав циклического фрагмента.

Восемь аминокислот (валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин и триптофан), помещенные в таблице на сером фоне, называют незаменимыми, поскольку организм для нормального роста и развития должен постоянно получать их с белковой пищей.

Белковая молекула образуется в результате последовательного соединения аминокислот, при этом карбоксильная группа одной кислоты взаимодействует с аминогруппой соседней молекулы, в результате образуется пептидная связь -CO-NH- и выделяется молекула воды. На рис. 1 показано последовательное соединение аланина, валина и глицина.

Рисунок 1. Последовательное соединение аминокислот при образовании белковой молекулы

В качестве основного направления полимерной цепи выбран путь от концевой аминогруппы H2N к концевой карбоксильной группе COOH.

Чтобы компактно описать строение белковой молекулы, используют сокращенные обозначения аминокислот (табл. 1, третий столбец), участвующих в образовании полимерной цепи.

Белковые молекулы содержат от 50 до 1500 аминокислотных остатков (более короткие цепи называют полипептидами). Индивидуальность белка определяется набором аминокислот, из которых составлена полимерная цепь и, что не менее важно, порядком их чередования вдоль цепи. Например, молекула инсулина состоит из 51 аминокислотного остатка (это один из самых короткоцепных белков) и представляет собой две соединенных между собой параллельных цепи неодинаковой длины. Порядок чередования аминокислотных фрагментов показан на рис. 2. Фрагменты одинаковых аминокислот отмечены соответствующей окраской фона.

Рисунок 2. Молекула инсулина, построенная из 51 аминокислотного остатка

Содержащиеся в цепи остатки аминокислоты цистеина (сокращенное обозначение ЦИС) образуют дисульфидные мостики -S-S-, которые связывают две полимерных молекулы, либо образуют перемычки внутри одной цепи.

Объединение аминокислот в полимерную цепь происходит в живом организме под управлением нуклеиновых кислот, именно они обеспечивают строгий порядок сборки и регулируют фиксированную длину полимерной молекулы (Нуклеиновые кислоты).

3. Структура белковой молекулы

Выделяют четыре уровня структурной организации белков: первичный, вторичный, третичный и четвертичный. Каждый уровень имеет свои особенности.

Первичная структура белка

Первичной структурой белков называется линейная полипептидная цепь из аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Первичная структура - простейший уровень структурной организации белковой молекулы. Высокую стабильность ей придают ковалентные пептидные связи между б-аминогруппой одной аминокислоты и б-карбоксильной группой другой аминокислоты.

При образовании пептидных связей в клетках сначала активируется карбоксильная группа одной аминокислоты, а затем она соединяется с аминогруппой другой. Примерно так же проводят лабораторный синтез полипептидов.

Пептидная связь является повторяющимся фрагментом полипептидной цепи. Она имеет ряд особенностей, которые влияют не только на форму первичной структуры, но и на высшие уровни организации полипептидной цепи:

Рисунок 3. Схема строения трипептида

Методы определения первичной структуры белка

1)Деградация по Эдмону

К раствору белка добавляют реактив Эдмона, содержащий фенилизотиоцианат.

Фенилизотиоцианат взаимодействует с альфа-аминогруппой первой (N-концевой) аминокислоты, а затем происходит ее отщепление от полипептидной цепи путем гидролиза:

Рисунок 4. Деградация по Эдмону

После этого идентифицируют первую аминокислоту. Затем процесс повторяется.

В настоящее время процесс автоматизирован.

2) Секвенирование ДНК

Первичная структура любой белковой молекулы напрямую зависит от структуры ДНК-генома. Поэтому сначала выделяют ген, в котором закодирована структура белка. Далее определяют последовательность азотистых оснований в ДНК. Каждая аминокислота в белковой молекуле закодирована сочетанием трех азотистых оснований - триплетом (кодоном) в молекуле ДНК. Например, сочетание трех оснований аденина (ААА) кодирует аминокислоту фенилаланин, а последовательность из трех оснований цитозина - глицин. Это дает возможность получить информацию о первичной структуре белковой молекуле, а, значит, прогнозировать строение всей молекулы в целом, поскольку именно первичная структура определяет строение всех высших уровней организации - и вторичной, и третичной, а, иногда и четвертичной структур.

3) Рентгеноструктурный анализ

Схема, поясняющая принцип этого метода, представлена на рисунке:

Рисунок 5. Рентгеноструктурный анализ

В результате облучения на фотопленке фиксируется карта электронной плотности (похожа на географическую карту). Далее производится компьютерный анализ полученного изображения, в результате чего строится пространственная модель белковой молекулы.

Вторичная структура белка

Вторичная структура представляет собой способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную структуру благодаря образованию водородных связей между пептидными группами одной цепи или смежными полипептидными цепями. По конфигурации вторичные структуры делятся на спиральные (б-спираль) и слоисто-складчатые (в-структура и кросс-в-форма).

Рисунок 6. Модель a-спирали Полинга-Кори

Третичная структура белка

Третичной структурой белка называется способ укладки полипептидной цепи в пространстве. По форме третичной структуры белки делятся в основном на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки чаще всего имеют эллипсовидную форму, а фибриллярные (нитевидные) белки -- вытянутую (форма палочки, веретена).

Четвертичная структура белка

Белки, состоящие из одной полипептидной цепи, имеют только третичную структуру. К ним относятся миоглобин -- белок мышечной ткани, участвующий в связывании кислорода, ряд ферментов (лизоцим, пепсин, трипсин и т. д.). Однако некоторые белки построены из нескольких полипептидных цепей, каждая из которых имеет третичную структуру. Для таких белков введено понятие четвертичной структуры, которая представляет собой организацию нескольких полипептидных цепей с третичной структурой в единую функциональную молекулу белка. Такой белок с четвертичной структурой называется олигомером, а его полипептидные цепи с третичной структурой -- протомерами или субъединицами.

Рисунок 7. Схема третичной (а) и четвертичной (б) структуры белка

4. Нативность белковой молекулы

Нативность - это уникальный комплекс физических, физико-химических, химических и биологических свойств белковой молекулы, который принадлежит ей, когда молекула белка находится в естественном, природном (нативном) состоянии.

Например: белок хрусталика глаза - кристаллин - обладает высокой прозрачностью только в нативном состоянии).

Денатурация белка

При действии органических растворителей, продуктов жизнедеятельности некоторых бактерий (молочнокислое брожение) или при повышении температуры происходит разрушение вторичных и третичных структур без повреждения его первичной структуры, в результате белок теряет растворимость и утрачивает биологическую активность, этот процесс называют денатурацией, то есть потерей натуральных, нативных свойств. Например, створаживание кислого молока, свернувшийся белок вареного куриного яйца. При повышенной температуре белки живых организмов (в частности, микроорганизмов) быстро денатурируют. Такие белки не способны участвовать в биологических процессах, в результате микроорганизмы погибают, поэтому кипяченое (или пастеризованное) молоко может дольше сохраняться.

Разрушение первичной структуры может произойти только в результате гидролиза белковой молекулы длительным кипячением в растворе кислоты или щелочи.

Факторы, вызывающие денатурацию белков

Факторы, которые вызывают денатурацию белков, можно разделить на физические и химические.

Физические факторы:

1. Высокие температуры. Для разных белков характерна различная чувствительность к тепловому воздействию. Часть белков подвергается денатурации уже при 40-500С. Такие белки называют термолабильными. Другие белки денатурируют при гораздо более высоких температурах, они являются термостабильными.

2. Ультрафиолетовое облучение

3. Рентгеновское и радиоактивное облучение

4. Ультразвук

5. Механическое воздействие (например, вибрация).

Химические факторы:

1. Концентрированные кислоты и щелочи. Например, трихлоруксусная кислота (органическая), азотная кислота (неорганическая).

2. Соли тяжелых металлов (например, CuSO4).

3. Органические растворители (этиловый спирт, ацетон)

4. Растительные алкалоиды.

5. Мочевина в высоких концентрациях

6. Другие вещества, способные нарушать слабые типы связей в молекулах белков.

Воздействие факторами денатурации применяют для стерилизации оборудования и инструментов, а также как антисептики.

5. Химические свойства белков

Пептидные связи H-N-C=O, образующие полимерную цепь белковой молекулы, в присутствии кислот или щелочей гидролизуются, при этом происходит разрыв полимерной цепи, что, в конечном итоге, может привести к исходным аминокислотам. Пептидные связи, входящие в состав б-спиралей или в-структур, более устойчивы к гидролизу и различным химическим воздействиям (по сравнению с теми же связями в одиночных цепях). Более деликатную разборку белковой молекулы на составляющие аминокислоты проводят в безводной среде с помощью гидразина H2N-NH2, при этом все аминокислотные фрагменты, кроме последнего, образуют так называемые гидразиды карбоновых кислот, содержащие фрагмент C(O)-HN-NH2.

Подобный анализ может дать информацию об аминокислотном составе того или иного белка, однако важнее знать их последовательность в белковой молекуле. Одна из широко применяемых для этой цели методик - действие на полипептидную цепь фенилизотиоцианата (ФИТЦ), который в щелочной среде присоединяется к полипептиду (с того конца, который содержит аминогруппу), а при изменении реакции среды на кислую, отсоединяется от цепи, унося с собой фрагмент одной аминокислоты.

Рисунок 8. РАСЩЕПЛЕНИЕ ПОЛИПЕПТИДА

Рисунок 9. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ РАСЩЕПЛЕНИЕ ПОЛИПЕПТИДА

Рисунок 10. РАСЩЕПЛЕНИЕ ДИСУЛЬФИДНЫХ МОСТИКОВ

Для создания дополнительных поперечных сшивок в белках используют реакционную способность амино- и карбоксильных групп. Более доступны для различных взаимодействий аминогруппы, которые находятся в боковом обрамлении цепи - фрагменты лизина, аспарагина, лизина, пролина (табл. 1). При взаимодействии таких аминогрупп с формальдегидом идет процесс конденсации и возникают поперечные мостики -NH-CH2-NH- (рис. 17).

Рисунок 11. Конденсация и возникновение поперечных мостиков

6. Пластический обмен. Биосинтез белков

Совокупность реакций биохимического синтеза, в результате которых из веществ, попавших в клетки, синтезируются необходимые для нее соединения, называют пластическим обменом. К основным процессам пластического обмена принадлежащих биосинтез белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот, а также фотосинтез и хемосинтез.

Биосинтез белков.

Уже было оговорено, что незаменимые аминокислоты у высших животных и человека поступают в кровь из тонкого кишечника после переваривания белков пищевых продуктов. Для синтеза заменимых аминокислот животные и грибы используют азотсодержащие соединения. Растения могут сами синтезировать все необходимые аминокислоты, используя азот, аммиак, нитраты. Среди микроорганизмов одни способны сами синтезировать все необходимые им аминокислоты, тогда как другие - лишь некоторые из них.

Синтез каждого из двадцати основных аминокислот - это сложный многоступенчатый процесс, катализируют многие ферменты.

Генетический код - свойственная всем живым организмам единая система сохранения наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Эта последовательность определяет порядок введения аминокислотных остатков в полипептидную цепь при его синтезе.

Установлено, что каждый аминокислотный остаток в полипептидной цепи кодируется определенной последовательностью из трех нуклеотидов - триплетом. Эта тройка нуклеотидов была названа кодоном.

Если в состав белков входит двадцать основных аминокислот, то в состав нуклеиновых кислот - только четыре типа нуклеотидов. Если бы один аминокислотный остаток кодировался одним нуклеотидом, то в состав белков входило бы всего четыре типа аминокислот. Комбинацией из двух нуклеотидов можно закодировать шестнадцать аминокислот, тогда как комбинация из трех нуклеотидов позволяет кодировать 64 типа аминокислот, тем более 20 основных.

Всего существует 64 различных кодона. Получается, не всякому кодону соответствует аминокислота.

Но таких бессмысленных, или незначащих, кодонов очень немного, и они выполняют специальную функцию - служат стоп-сигналами, обозначают конец белковой цепи. Поэтому их еще называют терминирующими кодонами. Подавляющее же большинство кодонов соответствует какому-либо аминокислотному остатку

Такие широкие возможности генетического кода определяют его другое свойство - вырожденность. То есть одну аминокислоту могут кодировать несколько разных триплетов, что повышает надежность генетического кода, поскольку случайная замена одной азотистого основания в триплете на другую не всегда будет сопровождаться изменениями в первичной структуре белка. Как оказалось, большинство основных аминокислот (18 из 20) кодируется несколькими триплетами (от двух до шести) и только две из них (триптофан и метионин) имеют неповторимые, индивидуальные комбинации. В растениях, грибах, животных одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты. Выяснено также, что генетический код не перекрывается, т.е. генетическая информация может считываться только одним способом.

Каким образом код реализуется, то есть где в клетке и при помощи чего происходит перевод ДНКового текста на белковый язык? Как получается, что длинный нуклеотидный текст ДНК дает в конечном счете сравнительно короткие белковые цепи? Наверное, ДНКовый текст состоит из отдельных «предложений», каждое из которых отвечает одному белку? Так может быть эти «предложения» и есть гены классической генетики? А что между ними? Что играет роль «точек», разделяющих «предложения»? Иными словами, чем отличаются в физическом, химическом, то есть в молекулярном смысле, сами гены от промежутков между ними? Ну, и наконец, каков же он, генетический код, этот словарь живой клетки?

Прежде всего, никаких особенностей в химическом строении ДНК, которые отличали бы одни участки от других, обнаружено не было. По всей своей длине молекула ДНК представляет собой непрерывную последовательность нуклеотидных звеньев четырех сортов -- А, Т, Г и Ц. В этом смысле ДНКовый текст отличается от типографского текста, в котором есть точки, запятые, промежутки между словами. ДНКовый текст -- это непрерывная последовательность букв. Роль «знаков препинания» играют сами же буквы. Это особые последовательности нуклеотидов, расположенные между участками, последовательности которых отвечают аминокислотным последовательностям в белках. Отдельный такой участок стали называть геном.

Итак, ген -- это часть ДНКового текста, которая содержит информацию об аминокислотной последовательности одного белка. Теперь «элементарная» частица наследственности, о которой спорили когда-то Дельбрюк и Тимофеев-Ресовский, приобрела совершенно конкретный молекулярный, атомный смысл. Оказалось, что ген вовсе не «неделимая частица», а построен из сотен нуклеотидов. Вот нуклеотиды -- это уже действительно элементарные частицы генетического материала -- мономерные звенья полимерной молекулы ДНК.

Этапы биосинтеза белков.

Механизм процесса биосинтеза белков выяснено в 50-х годах XX столетия. Он делится на несколько этапов.

Первый этап - транскрипция. Сначала фермент РНК-полимераза расщепляет двойная цепь ДНК и на одной из цепей по принципу комплементарности синтезирует молекулу иРНК, которая таким образом повторяет последовательность нуклеотидов определенного участка молекулы ДНК. После этого с помощью специальных ферментов про-иРНК превращается в активную форму иРНК (из нее удаляются участки, лишенные генетической информации), которая с ядра поступает к цитоплазме клетки.

Второй - трансляция. Процесс трансляции очень сложен, в нем принимает участие множество действующих лиц. Главное из них -- рибосома. Рибосома -- это сложнейший агрегат, построенный из полусотни различных белков и молекулы РНК. Имеется ввиду не та РНК, которая служит матрицей для синтеза белка на рибосоме, а другая, рибосомальная РНК, которая является неотъемлемой частью рибосомы. Чтобы эти два класса РНК отличать друг от друга, рибосомальную РНК обозначают как рРНК, а матричную мРНК. Рибосома -- это молекулярная вычислительная машина, переводящая тексты с нуклеотидного языка ДНК и РНК на аминокислотный язык белков.

На этом этапе происходит перевод последовательности нуклеотидов в молекуле иРНК в последовательность аминокислотных остатков молекулы белка. Рассмотрим этот процесс подробнее. Прежде всего, в цитоплазме каждая из 20 аминокислот с помощью ковалентной связи присоединяется к определенной тРНК, на что тратится энергия, которая высвобождается при расщеплении АТФ.

Затем иРНК связывается с рибосомой, а впоследствии - с аминокислотным остатком, прикрепленным к определенной тРНК. Транспортная РНК, которая переносит аминокислоту, по принципу комплементарности взаимодействует с особым триплетом (кодоном) иРНК, который дает сигнал о начале синтеза полипептидной цепи. Вследствие этого процесса возникает инициативный комплекс, состоящий из триплета иРНК, рибосомы и определенной тРНК.

Далее полипептидная цепь удлиняется благодаря последовательному сочетанию пептидными связями аминокислотных остатков между собой. Каждая из аминокислот транспортируется в рибосомы и размещается на цепи с помощью определенной тРНК, которая создает комплементарные пары с соответствующим ей триплетом в иРНК.

При синтезе молекулы белка рибосома надвигается на нитевидную молекулу иРНК таким образом, что иРНК оказывается между ее двумя субъединицами. Рибосома «скользящий» слева направо по иРНК и составляет белковую молекулу. В рибосоме есть особый участок - функциональный центр, где происходит трансляция. Его размеры соответствуют длине двух триплетов, поэтому в нем одновременно находятся два соседних триплеты иРНК. В одной части функционального центра антикодон тРНК узнает кодон иРНК, а в другой - аминокислота освобождается от тРНК. Когда рибосома продвинется по иРНК, то на ее место приходит другая, которая тоже начинает продвигаться по этой молекуле. Затем поступает третья, четвертая и так далее. Количество рибосом, одновременно умещается на молекуле иРНК, определяется ее длиной. Молекулу иРНК с нанизанными на нее рибосомами называют полисом. Для осуществления процесса синтеза необходимы особые белки и энергия, которая высвобождается при расщеплении АТФ.

Когда рибосома достигает стоп-кодона, синтез белковой молекулы завершается, и рибосома вместе с ней оставляет иРНК. Затем рибосома попадает на любую другую молекулу иРНК, а молекула белка - в эндоплазматическую сеть, по которой она транспортируется в определенный участок клетки. На иРНК с ее левого конца надвигаются новые рибосомы, и биосинтез белковых молекул продолжается.

На последнем этапе белок приобретает своей природной структуры, образуя определенную пространственную конфигурацию. До или после этого при участии ферментов происходит отщепление лишних аминокислотных остатков, введение фосфатных, карбоксильных и других групп, присоединение углеводов подобное. После этих процессов молекула белка становится функционально активной.

Механизмы биосинтеза белка у эукариот и прокариот практически похожи, но размеры рибосом у прокариот меньше, чем у эукариот, и сходны по размерам с рибосомами митохондрий и пластид. Биосинтез белка - сложный многоэтапный процесс, каждая из реакций которого обеспечивается специфическими ферментами. Процессы биосинтеза белковой молекулы требуют больших затрат энергии. В частности, на присоединение одного аминокислотного остатка в синтезированного полипептидной цепи затрачивается энергия, которая высвобождается при расщеплении одной молекулы АТФ.

Заключение

Мне было очень интересно работать над этой сложной, удивительной темой. Практически всё, что нас окружает - белки. Изучая литературу, я пришла к выводу, что биохимия, изучение белков очень важные проблемы в современном мире. Синтез a-аминокислот позволит создавать любые белки, создавать кожу, эпителий.

Приложение

Размещено на Allbest.ru