Шпаргалка "Молекулярная биология"

95% белков имеют гидрофобное  ядро.

5% фибриллярные белки. 

Подавляющее число глобулярных  белков растворимо. Большинство фибриллярных - нерастворимо ( α-кератины - на их долю приходится почти весь сухой вес волос, шерсти, рогов, копыт, ногтей, чешуи, перьев; коллаген - белок сухожилий, хрящей; фиброин - белок шелка).

Фибриллярные  белки содержат большую долю заряженных аминокислот, чем глобулярные - отдельные  цепи растворимы, а их комплексы  неполярны и нерастворимы

 

 

 

 

 

 

Первичная структура  белка Определение: первичная структура белка - это последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

Аминокислоты соединяются  в полипептид с помощью ковалентных  пептидных (амидных) связей. У трипептида, состоящего из трех разных аминокислот, возможно 3! = 6 различных первичных структур. 
У олигопептида, состоящего из двадцати разных аминокислот, разнообразие первичных структур 20!, это ≈ 2*10¹⁸.  
Разнообразие первичных структур среднего по размеру белка (примерно 500 аминокислот) составляет уже ≈ 20⁵⁰⁰ вариантов (если все аминокислоты представлены в эквимолярных соотношениях).

Cразу после трансляции мРНК полипептиды представляют собой неразветвленные одноцепочечные полимеры, но в клетке они претерпевают сложный процесс укладки цепи в трехмерные структуры, образующие нативную белковую молекулу. В свою очередь эти молекулы могут объединяться друг с  другом,  образуя  мультимерные  комплексы. 

В  случае  объединения  двух одинаковых молекул – субъединиц, образуется гомодимер, двух разных –  гетеродимер,  при  трех  и  более  субъединиц  обычно  говорят  о  мультимерах Хотя  конформация  каждого  белка  уникальна,  несколько  способов  укладки постоянно присутствует в разных молекулах. Они называются б-спиралями и в- складками. б-Спираль образуется при закручивании полипептидной цепи вокруг оси с образованием жесткого цилиндра, в котором каждая пептидная группа  связывается водородными связями с другими такими же  группами.

Антипараллельный в-слой образуется в результате многократного  изгибания полипептидной цепи на 1800  так, что пласты располагаются  антипараллельно. б-Спирали и в-слои представляют   вторичную структуру белка

Третичная структура  белка Определение: третичная структура белка - это пространственная конформация полипептида, имеющего вторичную структуру, и обусловленная взаимодействиями между радикалами.

Существует четыре типа взаимодействий между радикалами: 1. Ковалентные связи между остатками двух цистеинов(дисульфидные мостики).  
2. Ионные (электростатические) взаимодействия между противоположно заряженными аминокислотными остатками (три радикала со знаком "+" и два со знаком "-").  
Например, положительно заряженная ε-аминогруппа лизина (-NH3+ ) притягивается отрицательно заряженной карбоксильной группой - (СОО-) глутаминовой или аспарагиновой кислоты. 
3. Водородные связи.  
Участвуют все аминокислоты, имеющие гидроксильные, амидные или карбоксильные группы.  
4. Гидрофобные взаимодействия . 
Образуются между неполярными радикалами в водной среде. Участвуют 8 аминокислот (первый класс).

25. Функции  белков.

1. Структурная функция.  Белки входят в состав всех клеточных органелл: мембранных - плазмалемма, ядерная оболочка, эндоплазматическая или ретикулярная сеть (ЭР), комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, вакуоль, митохондрии, пластиды - и немембранных - хромосомы, рибосомы, клеточный центр (центриоли), реснички и жгутики, микрофиламенты.

2. Каталитическая функция.  Все ферменты - белки. Эта функция  в 1982 году перестала считаться  уникальной. Выяснилось, что некоторые  РНК тоже обладают каталитической  активностью. Их называют РНКзимами.

3. Защитная функция (пока  уникальна). Антитела - это белки.  Иммуноглобулины "склеивают"  антигены и образуется преципитат 

4. Регуляторная функция.  На клеточном уровне: белки - репрессоры  и белки - активаторы транскрипции.  
На организменном уровне: некоторые гормоны - белки.  
Например, инсулин - гормон поджелудочной железы. Регулирует переход глюкозы через плазмалемму. При недостаточной секреции инсулина развивается тяжелое заболевание - сахарный диабет. 
Соматотропин - гормон роста. Образуется в передней доле гипофиза.  
Там же образуется и адренокортикотропный гормон (АКТГ). Он действует на кору надпочечников, регулируя синтез стероидных гормонов.

5. Трансформация энергии.  Белки сечатки глаза родопсин  и ретинен трансформируют световую  энергию в электрическую. Актино-миозиновые комплексы в мышцах преобразуют энергию химических связей в механическую.

6. Транспортная функция.  Гемоглобин осуществляет транспорт  О2, СО2.  
Трансферрин - транспорт железа.  
Системы пермеаз - это мембранные белки, которые переносят полярные соединения через мембрану как по, так и против градиента концентрации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Некоторые комбинации б-спиралей и в-слоев, упакованные  вместе, формируют  компактно уложенные глобулярные единицы – домены. Это третичная конформация белка.

Она целиком определяется взаимодействием радикалов аминокислотных остатков. Взаимодействия эти различны.

Между цистеинами  возникают  ковалентные  дисульфидные  связи  (-S-S-). Это  единственные ковалентные  связи,  стабилизирующие  конформацию  белка. 

Неполярные аминокислотные остатки стремятся соединиться, вытеснив ненавистную для них  воду (гидрофобные взаимодействия); при сворачивании полипептидной  цепи они уходят внутрь глобулы, где  защищены экраном из гидрофильных аминокислот  от доступа воды.

Между  разноименно заряженными  радикальными группами образуются  электростатические связи, так называемые солевые мостики. Несколько отдельных  третичных структур – доменов, соединенных  линкерами,  могут находиться на одном пептиде.

При этом каждый из доменов  обладает некоторой автономией и  при отделении от целой молекулы выполняет свою функцию.

На этом основан метод  получения одноцепочечных иммуноглобулинов,  состоящих  только  из  вариабельных  доменов тяжелой и легкой полипептидных  цепей. Как и в полной молекуле иммуноглобулина, они обладают антиген-связывающей активностью.

Третичная структура полностью задается первичной.

Определяющими являются гидрофобные взаимодействия в силу неизбирательности (неспецифичности) и многочисленности.

Гидрофобное ядро существует у большинства белков.

Четвертичная  структура белка Определение: четвертичная структура белка - это агрегация двух или большего числа полипептидных цепей, имеющих третичную структуру, в олигомерную функционально значимую композицию.

В случае, если  несколько полипептидных цепей в виде  доменов образуют комплекс и функционируют как единое целое,  конформация называется  четвертичной. 

Так  гемоглобин  состоит  из  двух  альфа-  и двух  бэта-полипептидных цепей и только в таком составе, еще и в комплексе с гемом, выполняет свою функцию. Белки, обслуживающие матричные и энергетические синтезы   в клетке состоят из большого множества полипептидных цепей.

Белки могут образовывать также супрамолекулярные структуры  для выполнения сложных функций.

26. Генетический  код.

Определение: Генетический код - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью  последовательности расположения нуклеотидов  в ДНК.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Связи, образующие и поддерживающие четвертичную структуру, те же самые, что и при образовании  третичной структуры, кроме гидрофобных.

Четвертичной  структурой обладает около 5% белков, в  том числе гемоглобин, иммуноглобулин, инсулин. Почти все ДНК- и РНК- полимеразы имеют четвертичную структуру.

 

27. Свойства генетического  кода. 

1. Триплетность 

Каждая аминокислота кодируется последовательностью из 3-х нуклеотидов.

Определение: триплет  или кодон - последовательность из трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту. Код не может быть моноплетным, поскольку 4 (число разных нуклеотидов в ДНК) меньше 20. Код не может быть дуплетным, т.к. 16 (число сочетаний и перестановок из 4-х нуклеотидов по 2) меньше 20. Код может быть триплетным, т.к. 64 (число сочетаний и перестановок из 4-х по 3) больше 20.

2. Вырожденность Все аминокислоты, за исключением метионина и триптофана, кодируются более чем одним триплетом:

2 АК по 1 триплету = 2 
9 АК по 2 триплета = 18 
1 АК 3 триплета = 3 
5 АК по 4 триплета = 20 
3 АК по 6 триплетов = 18 
Всего 61 триплет кодирует 20 аминокислот.

3. Наличие межгенных знаков  препинания. Определение: ген- это участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь или одну молекулу tРНК, rРНК или sРНК.

Гены tРНК, rРНК, sРНК белки не кодируют.

В конце каждого гена, кодирующего полипептид, находится, по меньшей мере, один из 3-х терминирующих  кодонов, или стоп-сигналов: UAA, UAG, UGA. Они терминируют трансляцию. Условно  к знакам препинания относится и  кодон AUG - первый после лидерной последовательности. (См. лекцию 8) Он выполняет функцию заглавной буквы. В этой позиции он кодирует формилметионин (у прокариот).

4.Однозначность. Каждый триплет кодирует лишь одну аминокислоту или является терминатором трансляции. Исключение составляет кодон AUG. У прокариот в первой позиции (заглавная буква) он кодирует формилметионин, а в любой другой - метионин.

5. Компактность, или отсутствие внутригенных знаков препинания. Внутри гена каждый нуклеотид входит в состав значащего кодона.

В 1961г. Сеймур Бензер и Френсис  Крик экспериментально доказали триплетность кода и его компактость.Суть эксперимента: "+" мутация - вставка

28. Идеальный генетический код.

В 1979г. Беррел открыл идеальный код митохондрий человека.

Определение: идеальным называется генетический код, в котором выполняется правило  вырожденности квазидублетного  кода:  
Если в двух триплетах совпадают первые два нуклеотида, а третьи нуклеотиды относятся к одному классу (оба - пурины или оба - пиримидины), то эти триплеты кодируют одну и ту же аминокислоту. Из этого правила в универсальном коде есть два исключения. Оба отклонения от идеального кода в универсальном касаются принципиальных моментов: начала и конца синтеза белка:

29. Консервативные и радикальные  мутации.

Определение: Мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными. Мутации  замен нуклеотидов, приводящие к  смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными.

В каждом триплете можно  провести 9 однократных замен. Общее  количество возможных замен нуклеотидов - 61 по 9 = 549. Из них:

23 замены нуклеотидов  приводят к появлению кодонов  - терминаторов трансляции. 
134 замены не меняют кодируемую аминокислоту. 
230 замен не меняют класс кодируемой аминокислоты. 
162 замены приводят к смене класса аминокислоты, т.е. являются радикальными.  
Из 183 замен 3-его нуклеотида, 7 приводят к появлению терминаторов трансляции, а 176 - консервативны. 
Из 183 замен 1-ого нуклеотида, 9 приводят к появлению терминаторов, 114 - консервативны и 60 - радикальны. 
Из 183 замен 2-го нуклеотида, 7 приводят к появлению терминаторов, 74 - консервативны, 102 - радикальны.

Итак: 364/162=2.25 (отношение  числа консервативных замен к  числу радикальных замен) - показатель помехоустойчивости генетического  кода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

одного нуклеотида. "-" мутация - выпадение одного нуклеотида.  
Одиночная "+" или "-" мутация в начале гена портит весь ген.  
Двойная "+" или "-" мутация тоже портит весь ген.  
Тройная "+" или "-" мутация в начале гена портит лишь его часть.  
Четверная "+" или "-" мутация опять портит весь ген. Эксперимент доказывает, что 
код триплетен и внутри гена нет знаков препинания. Эксперимент был проведен на двух рядом расположенных фаговых генах и показал, кроме того, 
наличие знаков препинания между генами.

6.Универсальность. Генетический код един для всех живущих на Земле существ.

Это является сильнейшим свидетельством в пользу единства происхождения  и эволюции.

7. Помехоустойчивость.

8. Неперекрываемость. В 1956г. Георгий Гамов предложил вариант перекрываемого кода. Согласно Гамовскому коду, каждый нуклеотид, начиная с третьего в гене, входит в состав 3-х кодонов. Когда генетический код был расшифрован, оказалось, что он неперекрываем, т.е. каждый нуклеотид входит в состав лишь одного кодона.

Достоинства перекрываемого генетического кода: 
компактность, меньшая зависимость структуры белка от вставки или делеции нуклеотида.

Недостаток:  
большая зависимость структуры белка от замены нуклеотида и ограничение на соседей.

В 1976г. была секвенирована  ДНК фага φХ174. У него одноцепочечная кольцевая ДНК, состоящая из 5375 нуклеотидов. Было известно, что фаг кодирует 9 белков. Для 6 из них были определены гены, располагающиеся друг за другом.

Выяснилось, что есть перекрывание. Ген Е полностью находится  внутри гена D. Его инициирующий кодон  появляется в результате сдвига считывания на один нуклеотид. Ген J начинается там, где кончается ген D. Инициирующий кодон гена J перекрывается с терминирующим  кодоном гена D в результате сдвига на два нуклеотида. Конструкция называется "сдвиг рамки считывания" на число нуклеотидов, некратное трем. На сегодняшний день перекрывание показано только для нескольких фагов.

 

 

 

 

 

 

 

 

30. Информационная емкость ДНК.

На Земле живет 6 миллиардов человек.

Наследственная информация о них заключена в 6х109 сперматозоидах.

По разным оценкам у  человека от 30 до 50 тысяч генов.