Основи біохімії

КОНТРОЛЬНА РОБОТА ПО БІОХІМІЇ

Питання 1

Дайте характеристику різних видів РНК.

У клітинах існує три головних типи РНК [1-5]: інформаційна, або матрична РНК (мРНК), рибосомна РНК (рРНК) і транспортна РНК (тРНК). У ядрі клітин еукаріотів міститься РНК четвертого типу - гетероядерні РНК (гяРНК). Всі ці три типи характеризуються певним молекулярною вагою і певним нуклеотидним складом (табл. 1).

Таблиця 1 Характеристика різних РНК E. coli [1,2]

Молекули у всіх трьох типів РНК одноланцюгові. Кожен з типів РНК включає кілька молекулярних видів. Для рРНК відомо три основних види; число видів тРНК доходить до 60, а число видів мРНК досягає сотень і навіть тисяч. У більшості клітин вміст РНК у багато разів (від 5 до 10) перевищує вміст ДНК.

мРНК. Містить лише чотири підстави - ​​А, Г, Ц і У. Вона синтезується в ядрі в процесі транскрипції, в ході якого нуклеотидна послідовність одного з ланцюжків хромосомної ДНК ферментативним шляхом транскрибується з утворенням одиночної ланцюга мРНК. Підстави утворюється ланцюга мРНК комплементарні підставах відповідного кола ДНК. Після завершення транскрипції мРНК переходить на рибосоми, де вона використовується в якості матриці, яка визначає послідовність амінокислот в зростаючій поліпептидного ланцюга. Кожен з тисяч різних білків, синтезованих клітиною, кодується специфічної мРНК або специфічним ділянкою мРНК.

тРНК. Молекули тРНК порівняно невеликі. Їх функція полягає в тому, щоб у ході білкового синтезу переносити на рибосому певні амінокислоти. Кожній з 20 амінокислот, виявлених в білках, відповідає, принаймні, одна тРНК. Молекули тРНК можуть перебувати у вільній формі і можуть бути "навантажені" специфічними амінокислотами. У тРНК, навантаженої амінокислотою, карбоксильна група цієї амінокислоти пов'язана складноефірний зв'язком з 3 ¢-гідроксилом кінцевого залишку адениловой кислоти на одному з кінців полинуклеотидной ланцюга тРНК. Для тРНК характерна наявність, поряд із звичайними підставами А, Г, Ц, і У, досить значної кількості незвичайних, або мінорні підстав. Зміст їх доходить до 10% загального змісту підстав. Мінорні підстави є переважно метиловані форми звичайних підстав чи їх похідні. Крім того, молекули тРНК містять такі мононуклеотид, як псевдоуріділовая або ріботіміділовая кислоти. З кінця полинуклеотидной ланцюга всі тРНК містять зазвичай залишок гуаніловой кислоти, пов'язаний через 3 ¢-гідроксильну групу з сусіднім нуклеотидним залишком. Кінцевий залишок гуаніловой кислоти містить додаткову фосфатну групу при 5 ¢-гідроксильної групи. На іншому кінці ланцюга всі молекули тРНК мають однакову трінуклеотідную послідовність, а саме фЦфЦфА. 5 ¢-гідроксильна група кінцевого залишку адениловой кислоти пов'язана з попереднім залишком цітіділовой кислоти; 2 ¢ - та 3 ¢-положення адениловой кислоти вільні. Загальну структуру тРНК тому можна зобразити у вигляді: ФГ (ФН) _75-90 фЦфЦфА ¾ ВІН.

Вільна 2 ¢ - або 3 ¢-гідроксильна група кінцевого залишку адениловой кислоти в послідовності фЦфЦфА молекул тРНК ферментативно етеріфіціруется специфічної щодо даної тРНК a-амінокислотою з утворенням активної форми, званої аміноацил-тРНК [2]:

Залишок цієї амінокислоти ферментативно переноситься до кінця зростаючої поліпептидного ланцюга на поверхні рибосоми.

Вторинна структура тРНК. Всі відомі тРНК утворюють "лист конюшини" - структуру, що утворюється за допомогою водневих зв'язків і складається з чотирьох стебел (акцепторний, Д, антікодоновий і Т) і трьох петель (Д, антікодоновой і Т). Деякі тРНК мають додаткові петлі і стебла. Кожне стебло складається з двох антипаралельних ланцюгів, заснування яких утворюють один з одним уотсон-Криковського пари за допомогою водневих зв'язків. Стебла мають форму правою подвійної спіралі, відомої як А-форма РНК. Третинна структура тРНК [1]. Молекула нагадує формою букву Г. Вона значно більш витягнута, ніж глобулярні білки тієї ж молекулярної маси. Акцепторний і Т-стебла покладені в просторі таким чином, що утворюють одну безперервну спіраль - "поперечину" букви Г; антікодоновий і Д-стебла утворюють "ніжку". Ці дві частини містять кожна близько 10 пар основ. Майже всі підстави у тРНК беруть участь в Вандер Ваальсових і гідрофобних взаємодіях, стабілізуючих просторову структуру молекули.

Молекули тРНК характеризуються наявністю антикодоном [3], який представляє собою 3 послідовних підстави, за допомогою яких розпізнається відповідний кодон мРНК. Пізнавання здійснюється шляхом утворення уотсон-Криковського водневих зв'язків між основами кодону, з одного боку, і антикодоном - з іншого, за умови, що полінуклеотидні ланцюга антіпараллельни.

рРНК. Молекули рРНК зустрічаються в різних формах і утворюють в комплексі з білками рибосому - складну органелу, в якій відбувається синтез білка. У деяких молекул рРНК визначена нуклеотидна послідовність. При аналізі цих послідовностей знайдені ділянки, в яких може відбуватися спаровування основ і які можуть брати участь в утворенні вторинної структури, подібно до того, як це відбувається в стеблах молекули тРНК. Негативно заряджені фосфатні групи молекул рРНК взаємодіють з позитивно зарядженими групами бічних ланцюгів рибосомних білків (аргінін, лізин), що і стабілізує комплекс білок - нуклеїнова кислота.

питання 2

Наведіть реакцію, що лежить в основі синтезу білків, на прикладі отримання тетрапептіда ала-вал-цис-гли.

Синтез білка здійснюється шляхом послідовної поліконденсації окремих амінокислотних залишків, починаючи з аміно-(N)-кінця поліпептидного ланцюга, в напрямку до карбоксильної (С)-кінця. Кожна амінокислота кодується кодоном - послідовністю 3 нуклеотидів мРНК, тобто триплетом. Декодування мРНК відбувається відповідно в напрямку 5 ¢ ® 3 ¢. Тетрапептід ала-вал-цис-гли може кодуватися наступною послідовністю нуклеотидів мРНК: ГЦУ-ГУУ-УГУ-ГГУ-УГА. Останній кодон (УГА) перериває синтез білка. Зазначена послідовність кодонів мРНК утворюється в результаті процесу транскрипції, їй відповідає наступна послідовність нуклеотидів ДНК: ЦГА-ЦАА-АЦА-ЦЦА-АЦТ.

Таким чином, склад білка в клітині визначається послідовністю нуклеотидів в мРНК і ДНК.

ПИТАННЯ 3

Наведіть структурну формулу НАД (никотинамидадениндинуклеотида), покажіть складові частини.

Молекула НАД (рис. 1) складається з двох мононуклеотідних одиниць - аденозин-5 ¢-фосфату (див. рис. 1, А ₁₎ і нікотінаміднуклеотіда (див. рис. 1, А _2), з'єднаних між собою ангидридной зв'язком; їх фосфатні групи утворюють 5 ¢, 5 ¢-пірофосфатная місток (див. рис. 1, В).

ПИТАННЯ 4

Фосфатиди, їх біологічне значення.

Фосфатиди [3-5] - це складні ліпіди, відмітною ознакою яких є присутність у молекулах залишку фосфорної кислоти. До складу фосфатидів входять також гліцерин, жирні кислоти, альдегіди і азотисті сполуки (холін, етаноламін, серин). Найважливіші представники фосфатидів - гліцерофосфатіди (фосфатидилхолін, фосфатидилетаноламін, фосфатидилсерин, фосфатидилінозит, кардіоліпін) і фосфосфінголіпіди - сфінгоміелін. Кожен клас фосфатидів об'єднує безліч однотипних молекул, що містять різні жирні кислоти або альдегіди. При цьому ненасичені жирні кислоти переважно знаходяться при 2-му вуглецевому атомі молекули гліцерину.

Фосфатиди широко поширені в природі. В якості основних структурних компонентів вони входять до складу клітинних мембран тварин, рослин і мікроорганізмів, визначаючи їх будова і проникність, а також активність ряду локалізованих у мембранах ферментів. З білками фосфатиди утворюють ліпопротеїнових комплекси. Різним біологічних мембран притаманний певний склад фосфатидів. Так, кардіоліпін - специфічний мітохондріальний фосфатиди; сфінгоміелін присутній в основному в плазматичних мембранах. У мембранах мікроорганізмів завжди міститься фосфатіділгліцерін і рідко лецитин (на відміну від клітин тварин).

питання 5

Які ознаки авітамінозу В _2? Що є джерелом цього вітаміну?

При недостатньому споживанні вітаміну В ₂ у дорослої людини порушується зір і пошкоджуються слизові оболонки порожнини рота. Вітамін В ₂ міститься в зерні, печінці, м'ясі, молоці, яйцях [3].

запитання 6

Які амінокислоти є незамінними в харчуванні тварин і людини? Наведіть приклади.

Незамінними є амінокислоти, які не синтезуються в організмі хребетних (у тому числі і людини) з аміаку [3].

Наприклад [2], для білого щура відомо 10 незамінних амінокислот: лізин, триптофан, гістидин, фенілаланін, лейцин, ізолейцин, треонін, метіонін, валін і аргінін.

питання 7

Що розуміють під окислювальним фосфорилюванням? Яке значення цього процесу для організму?

Окисне фосфорилювання [3-5] - це здійснюється в живих клітинах синтез молекул аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ) з аденозіндіфосфорной (АДФ) і фосфорної кислот за рахунок енергії окислення молекул органічних кислот, що утворюються в циклі трикарбонових кислот. Окисне фосфорилювання пов'язане з перенесенням електронів по ланцюгу дихальних ферментів, вбудованих у внутрішню мембрану мітохондрій. Електрони надходять у дихальний ланцюг від відбудованого НАДН або НАДФН і через кофермент Q, послідовно передаються від сполук з більш негативним окислювально-відновним потенціалом до з'єднань з більш позитивним потенціалом. Перенесення електронів по ланцюгу завершується відновленням О ₂ з допомогою складного ферментного комплексу - цитохромоксидази.

Т. о., Процес окислення субстрату киснем опосередкований серією окислювально-відновних реакціях; в результаті кожної з цих реакцій енергія, збережена в молекулі окислюваного субстрату, звільняється невеликими порціями, що дозволяє клітині використовувати її більш повно. Утилізація вивільняється енергії відбувається у так званих пунктах енергетичного сполучення. Синтез АТФ з АДФ і фосфату здійснюється ферментним комплексом АТФ-синтетазою (який може каталізувати і зворотну реакцію - розщеплення АТФ).

Ефективність окисного фосфорилювання оцінюють за допомогою відношення Р / О, тобто кількості фосфату, пов'язаного при фосфорилюванні АДФ, віднесеного до поглиненому О _2. Одна молекула АТФ утворюється при перенесенні 2 електронів через пункт енергетичного сполучення. Р / О при окисленні

У результаті окисного фосфорилювання в клітинах накопичується АТФ - найважливіше макроергічних сполук, що витрачається потім на забезпечення енергією різних процесів життєдіяльності.

питання 8

Гліколіз, його енергетичний ефект і біологічне значення.

Гліколіз [3-5] - це процес розщеплення вуглеводів (гл. обр. Глюкози) у відсутності кисню під дією ферментів. Кінцевий продукт гліколізу в клітинах тварин - молочна (або масляна) кислота. У рослинних клітинах кінцевим продуктом гліколізу служить піровиноградна кислота. Звільняється при гліколізі енергія використовується в процесах життєдіяльності. Гліколіз тісно пов'язаний з диханням і бродінням. Гліколіз - один з основних джерел енергії в клітинах. Переносником електронів і протонів в цих окислювально-відновних реакціях служать коферменти НАД і НАДН, наявні у складі бактеріальних клітин і мітохондрій, або функціонально близькі НАДФ і НАДФН, що містяться у хлоропластах. Сумарна реакція гліколізу:

З ₆ Н ₁₂ О ₆ + 2Фн + 2АДФ ® 2С ₃ Н ₄ О ₃ + 2АТФ + 2Н ₂ О.

Для того щоб проаналізувати енергетику гліколізу, розділимо сумарне його рівняння на два процеси, а саме: перетворення глюкози в лактат (екзотермічний процес) і утворення АТФ з АДФ і фосфату (ендотермічний процес):

Глюкоза ® 2 Лактат, D G ^про ₁ ¢ = -47,0 ккал;

2Фн + 2АДФ ® 2АТФ + Н ₂ О, D G ^про ₂ ¢ = 2 × 7,30 = +14,6 ккал.

Сумарна реакція:

З ₆ Н ₁₂ О ₆ + 2Фн + 2АДФ ® 2С ₃ Н ₄ О ₃ + 2АТФ + 2Н ₂ О.

D G ^про _s ¢ = D G ^про ₁ ¢ + D G ^про ₂ ¢ = -47,0 ккал + 14,6 ккал = -32,4 ккал.

З даних про зміну вільної енергії стає ясно, що розщеплення глюкози до лактату супроводжується звільненням такої кількості енергії, якого більш ніж достатньо для фосфорилювання двох молекул АДФ до АТФ. Легко підрахувати, що 14,6 / 47,0 × 100, тобто приблизно 31% вільної енергії, що звільняється при розщепленні глюкози до лактату, запасається у вигляді енергії фосфатних зв'язків АТФ. Наведений розрахунок ставиться до 1,0 М концентрацій; якщо ж врахувати істинні внутрішньоклітинні концентрації реагентів і продуктів, то виявиться, що ефективність гліколізу всередині клітини значно вище 31%.

Сумарний процес гліколізу, навіть з урахуванням супутнього утворення АТФ, супроводжується все ж таки дуже сильним зменшенням вільної енергії, що становить 32,4 ккал. Гліколіз є, таким чином, практично незворотній процес, для якого стан рівноваги зміщене майже повністю в бік утворення лактату. Тим не менше, більшість етапів цього процесу характеризуються порівняно невеликими величинами зміни вільної енергії. Ці реакції оборотні, і відповідні зворотні реакції використовуються при біосинтезі глюкози з лактату та інших попередників.

питання 9

Аеробна і анаеробна працездатність організму.

Працездатність організму - це здатність виконувати роботу, що вимагає витрати (виділення) енергії. Енергія в організмі вивільняється в процесі дихання - окислення органічних речовин (білків, жирів і вуглеводів) киснем повітря.

Отже, в анаеробних (безкисневих) умовах на тлі зниження рівня кисню буде спостерігатися зменшення інтенсивності окислення органічних речовин і, як наслідок, зниження кількості енергії, що виділяється, а значить і зменшення працездатності організму.

В аеробних умовах, навпаки, на тлі зростання рівня кисню буде спостерігатися підвищення інтенсивності окислення органічних речовин і, як наслідок, збільшення кількості енергії, що виділяється, а значить і підвищення працездатності організму.

питання 10

Біохімічні основи швидкості (швидкості) як якості рухової діяльності.

Рухова діяльність забезпечується за допомогою міофібрил - органел клітини, що відповідають за скорочення. Основними компонентами міофібрили є м'язові нитки. Останні бувають 2-х типів: товсті нитки мають діаметр 15 нм і містять в основному ниткоподібний білок міозин, а тонкі мають 7 нм в діаметрі і складаються з актину, тропомиозина і тропоніну [1].

Міозин побудований з двох великих і чотирьох малих поліпептидних ланцюгів. Кожна велика ланцюг складається з двох частин: витягнутого "хвоста", що має a-спіральну конформацію, і глобулярної "головки". Хвости обох великих ниток заплетені навколо одна одної, утворюючи сверхскрученную структуру довжиною 140 нм. Глобулярна головка кожної великого ланцюга знаходиться в комплексі з двома малими ланцюгами; весь комплекс також є глобулярним. Таким чином, молекула міозину має дві глобулярні головки і один фібрилярний дволанцюжкової хвіст.

Актин знаходиться в міофібрили у формі F-актину (F-фібрилярний). F-актин - це полімер, а мономірні одиниці, з яких він побудований, називаються G-актином (G-глобулярний). За своєю структурою F-актин схожий на дві нитки бус, у яких намистинками служать молекули G-актину; нитки закручені один навколо одного в спіральну структуру з кроком 36-38 нм.

Молекула тропомиозина являє собою тяж довжиною 40 нм, утворений двома переплетеними a-спіральними поліпептидними ланцюгами. Тропомиозин пов'язаний з F-актином. Кожна молекула тропомиозина охоплює сім G-Актинові глобул, причому сусідні його молекули трохи перекриваються між собою, так що утворюється безперервна тропоміозіновая ланцюг, що йде уздовж F-актинового волокна. Оскільки F-актин складається з двох ниток, з ним пов'язані і дві тропоміозіновие ланцюжка.

Тропонін є комплексом трьох білків: тропоніну I, тропоніну T та тропоніну С. Він має в цілому більш-менш глобулярну форму і розташовується на F-актине через правильні проміжки, рівні приблизно 38 нм.

Забезпечення скорочення енергією здійснює АТФ. Глобулярні головки міозину пов'язують АТФ і швидко гідролізують його, але не так легко звільняють продукти гідролізу - АДФ і Фн. F-актин, який зв'язується з міозином, утворюючи комплекс, званий актомиозином, прискорює від'єднання АДФ і Фн від міозінових головок. Вивільнені АТФ-зв'язуючі ділянки актомиозинового комплексу можуть зв'язати нові молекули АТФ, але, як тільки це відбувається, індукується дисоціація актоміозіна на актин і міозин. Такий цикл може повторюватися багато разів - у присутності достатньої кількості АТФ. Описане взаємодію актину та міозину лежить в основі молекулярного механізму скорочення.

Процес скорочення включає в себе цикл нахилу головок міозину, що складається з 4-х стадій [1]:

1. Міозин в товстих нитках містить пов'язані АДФ і Фн, але не пов'язаний з актином тонких ниток.

2. При надходженні сигналу до скорочення глобулярні міозіновие головки з пов'язаними АДФ і Фн прикріплюються до актину (утворюється актоміозину).

3. Освіта актоміозіна прискорює звільнення АДФ і Фн, що супроводжується нахилом головок міозину; при нахилі голівки відбувається ковзання все ще прикріпленою до неї тонкої актиновой нитки вздовж товстої, що призводить до вкорочення саркомера.

4. АТФ зв'язується з міозіновие головками в актоміозину, і це призводить до від'єднання актину від міозину, після чого гідроліз АТФ міозином повертає систему до першої фази циклу.

Регулювання швидкості скорочення опосередковується іонами кальцію. При низьких концентраціях Са ^{2 +} тропонин і тропомиозин перешкоджають взаємодії актину з міозином [1]. Коли приходить нервовий імпульс і відбувається деполяризація мембрани клітин, внутрішньоклітинний рівень Са ^{2 +} підвищується, це викликає Са ^{2 +-залежне} зміна конформації тропоніну, яке передається тропомиозина, і в результаті тропомиозин змінює своє положення на актиновой нитки так, що її пов'язують ділянки стають доступними для головок міозину.

література

1. Рис Е., Стернберг М. Введення в молекулярну біологію. - М.: Світ, 2002. - 142 с.

2. Ленінджер А. Біохімія. - М.: Світ, 1974. - 957 с.

3. Реймерс Н.Ф. Популярний біологічний словник. - М.: Наука, 1990. - 544 с.

4. Третьяков М.М. Фізіологія і біохімія сільськогосподарських рослин. - М.: Колос, 2000. - 640 с.

5. Красильникова Л.А., Авксентьєва О.О., Жмурко В.В. та ін Біохімія рослин. - Р-д: Фенікс, 2004. - 224 с.