Нуклеопротеины отвечают за продолжение жизни и воспроизведение клетки
Нуклеопротеины – это белки, связанные с нуклеиновыми кислотами. Они составляют существенную часть рибосом, хроматина, вирусов.
В рибосомах рибонуклеиновая кислота (РНК) связывается со специфическими рибосомальными белками. Вирусы являются практически чистыми рибо- и дезоксирибонуклеопротеинами.
В вирусах нуклеиновая кислота обеспечивает воспроизведение вируса в поражаемой клетке, а белковая часть позволяет взаимодействовать с мембраной клетки-хозяина, сохранять вирусную ДНК или РНК, осуществ-лять некоторые специфические ферментативные реакции.
Этапы организации хроматина
Строение и функции РНК и ДНК
Нуклеиновые кислоты являются полимерными молекулами и состоят из мономеров, называемых нуклеотидами. Нуклеотид содержит фосфорную кислоту (один, два или три остатка), сахар (рибозу или дезоксирибозу), азотистое основание пуринового ряда (аденин, гуанин) или пиримидинового ряда (цитозин, урацил либо тимин).
Сравнение строения азотистого основания, нуклеозида и нуклеотида
Самым распространенным в природе является нуклеотид аденозинтрифосфат (АТФ), используемый как высокоэнергетическое соединение для реакций трансмембранного переноса веществ и реакций синтеза.
Строение АТФ
Связываясь через фосфатные остатки, нуклеотиды образуют длинные цепочки – нуклеиновые кислоты.
Выделяют два вида нуклеиновых кислот в зависимости от пентозы, входящей в их состав – рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Сахарофосфатный остов в ДНК и РНК заряжен отрицательно благодаря заряду фосфатных групп. В то же время пуриновые и пиримидиновые основания гидрофобны.
Цепи ДНК и РНК обладают направленностью, т.е. имеют 3′-конец и 5′-конец. В ДНК цепи антипараллельны, т.е. направлены в разные стороны. Имеется комплементарность азотистых оснований, соответствие аденин комплементарен тимину (А=Т), гуанин комплементарен цитозину (Г=Ц).
Вопрос 5 Нуклеопротеины, химическое строение ДНК, РНК, биологическая роль
Нуклеопротеины. Схема гидролиза нуклеопротеинов.
Схему гидролиза нуклеопротеинов можно представить следующим образом:
Белок ДНК, РНК
(гистоны)
аминокислоты мононуклеотиды
пуриновые и пентоза
пиримидиновые (рибоза или
Нуклеиновые кислоты, биологическая роль.
Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) относятся к сложным высокомолекулярным соединениям, состоят из небольшого числа индивидуальных химических компонентов более простого строения. С нуклеопротеинами и, соответственно, нуклеиновыми кислотами непосредственно связаны, кроме того, такие биологические процессы, как митоз, мейоз, эмбриональный и злокачественный рост и др. Нуклеиновые кислоты выполняют ряд важных биологических функ-ций, не свойственных другим полимерным веществам. В частности, они обеспечивают хранение и передачу наследст-венной информации и принимают непосредственное участие в механизмах реализации этой информации путем программирования синтеза всех клеточных белков. Структурные компоненты нуклеиновых кислот выполняют, кроме того, функции кофакторов (коэнзим А и др.), аллостерических эффекторов, входят в состав коферментов (никотин-амидадениндинуклеотид, флавинадениндинуклеотид и др.), принимая тем самым непосредственное участие в обмене веществ, а также в аккумулировании (накоплении), переносе и трасформации энергии. Они являются предшествен-никами вторичных посредников (мессенджеров) – циклических мононуклеотидов (цАМФ и цГМФ), выполняющих
важную функцию в передаче внутриклеточных сигналов.
Химическое строение нуклеотидов.
Структурными единицами нуклеиновых кислот являются мономерные молекулы – мононуклеотиды. Следовательно, нуклеиновые кислоты представляют собой полинуклеотиды. Это продукты полимеризации мононуклеотидов, число и последовательность расположения которых в цепях ДНК и РНК определяются в строгом соответствии с программой,
заложенной в молекуле матрицы. Каждый нуклеотид содержит 3 химически различных компонента: гетероциклическое азотистое основание, моносахарид (пентозу) и остаток фосфорной кислоты. В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания двух типов: пуриновые – аденин (А), гуанин (G) и пиримидиновые – цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U). В этой «триаде» мононуклеотида углевод занимает
среднее положение. В молекулы ДНК входят A, T, G, C, в РНК- A, C, G, U.
Методы, применяемые при изучении строения нуклеопротеинов.
При изучении химического состава и строения нуклеиновых кислот перед исследователем всегда стоит задача выделения их из биологических объектов.
Нуклеопротеины – химия и биосинтез. Строение ДНК и РНК
ХИМИЯ НУКЛЕОПРОТЕИНОВ
Нуклеиновые кислоты — биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.
Нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (пентозы) и остатков фосфорной кислоты.
Свойства АО: гидрофобность, копланарность, поглощение УФ при 260 нм.
Нуклеозид = АО + пентоза (рибоза или дезоксирибоза). Пентоза присоединяется N-гликозидной связью.
Свойства нуклеозидов: гидрофильность.
Нуклеотид = нуклеозид + 1–4 остатка H3PO4.
Свойства нуклеотидов: кислотность, отрицательный заряд.
АЗОТИСТОЕ ОСНОВАНИЕ
НУКЛЕОЗИД (+ рибоза)
НУКЛЕОТИД (+ фосфат)
Пурины
ГИПОКСАНТИН
АДЕНОЗИН*
ГУАНОЗИН
ИНОЗИН
АДЕНОЗИН монофосфат (АМФ)*;
ГУАНОЗИН монофосфат (ГМФ), …
ИНОЗИН монофосфат (ИМФ), …
Пиримидины
ТИМИН
УРИДИН
ЦИТИДИН
ТИМИДИН (+дезоксирибоза)
УРИДИН монофосфат (УМФ), …
ЦИТИДИН монофосфат (ЦМФ), …
ТИМИДИН монофосфат (ТМФ), …
* — если сахар дезоксирибоза — дезоксиАДЕНОЗИН, дАМФ.
Биологическая роль нуклеотидов:
СТРОЕНИЕ ДНК
Под первичной структурой ДНК понимают последовательность нуклеотидов в одной полинуклеотидной цепи.
Силы, стабилизирующие двойную спираль: 1) горизонтальные водородные связи между АО (А = Т, Г ≡ Ц); 2) вертикальные «стейкинг»-взаимодействия между АО; 3) гидрофобные взаимодействия (АО обращены внутрь, к оси спирали, а полярные пентозы и фосфаты — наружу).
Силы, дестабилизирующие двойную спираль: электро-статические взаимодействия между отрицательно заряженными фосфатами: а) в пределах одной цепи; б) между цепями.
Поверхность двойной спирали имеет две спиральные бороздки — большую и малую. Белки связываются с ДНК в области большой бороздки, куда выступают АО.
Денатурация (плавление) ДНК — процесс расхождения нитей и формирования одноцепочечных молекул. Происходит при повышении температуры (около 70°С), при репликации и транскрипции (в отдельных участках). При постепенном снижении температуры наблюдается ренатурация.
Третичная структура ДНК — формируется только в связи с белками и служит для компактной упаковки ДНК в ядре. Белки, входящие в состав нуклеопротеинов:
5 классов гистонов — Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4.
Уровни упаковки генетического материала:
Модификации гистонов (фосфорилирование, ацетилирование) приводят к уменьшению их заряда, в результате чего гистоны легче отсоединяются от ДНК, и она становится доступна ферментам репликации и транскрипции.
Функции ДНК: хранение, воспроизводство и передача по наследству генетического материала, экспрессия генов.
СТРОЕНИЕ РНК
Вторичная структура — всегда одна цепь (у тРНК — «лист клевера»).
Третичная структура — у тРНК формируется самостоятельно и похожа на объемную букву L; у рРНК и иРНК образуется в связи с белками (рРНК+белок = рибосома, иРНК+белок = информосома).
Схема переваривания и всасывания нуклеопротеинов в ЖКТ:
Как правило, экзогенные АО, нуклеозиды и нуклеотиды не используются в клетке для синтеза собственных нуклеиновых кислот. Они разрушаются до конечных продуктов и выводятся из организма.
Конечные продукты распада пиримидинов — β-аланин, β-аминоизомасляная кислота, NH3, CO2.
Конечный продукт распада пуринов — мочевая кислота.
Схема распада пуринов:
Мочевая кислота содержит нерасщепленное пуриновое кольцо, поэтому плохо растворяется в воде.
У человека мочевая кислота является конечным продуктом метаболизма и выводится с мочой.
БИОСИНТЕЗ НУКЛЕОТИДОВ
Существует 2 пути биосинтеза нуклеотидов в клетке. Во-первых, путь повторного использования АО и нуклеозидов (не только экзогенных, но и образовавшихся в клетке в процессе репарации ДНК или при распаде «отработавших» РНК). Наиболее активно протекает в клетках интенсивно размножающихся тканей (эмбриональных, регенерирующих, эпителиальных, опухолевых). Во-вторых, синтез de novo (из низкомолекулярных предшественников).
Пути повторного использования АО и нуклеозидов: наличие этих путей позволяет использовать синтетические аналоги пуринов и пиримидинов для химиотерапии опухолей и лечения вирусных инфекций (например, 5-фторурацил, меркаптопурин, ацикловир, АЗТ и др.). Такие препараты включаются клеткой в состав нуклеотидов, встраиваются в молекулу ДНК и вызывают цитотоксический эффект.
Чаще используется для повторного использования пиримидинов (тимидинкиназа, цитидинкиназа).
2. Синтез нуклеотидов на основе готовых азотистых оснований больше характерен для пуринов и проходит в 2 этапа:
а) образование активной формы рибозо-5-фосфата (фосфорибозилпирофосфата):
б) взаимодействие ФРПФ с азотистым основанием:
De novo синтез пуриновых нуклеотидов
Особенностью синтеза пуринов de novo является то, что за основу берется рибозо-5-фосфат и на его основе формируется пуриновое кольцо. N-гликозидная связь формируется уже на ранних этапах синтеза.
Источником всех атомов азота для пуринового ядра являются аминокислоты (глицин, глутамин, аспартат). Источники атомов углерода: СО2 и формил-ТГФК (активная форма фолиевой кислоты, В9). Общим предшественником для адениловых и гуаниловых нуклеотидов является инозинмонофосфат (ИМФ).
Наиболее распространенной формой нарушения обмена пуринов является подагра. Основная причина — повышение уровня мочевой кислоты в крови (гиперурикемия) и ее отложение в почках и суставах. Причины: а) избыточный синтез пуриновых нуклеотидов (нечувствительность ферментов к регуляторам); б) дефект ферментов реутилизации пуринов; в) патология почек (недостаточное выведение). Способствует избыточное потребление пуринов с пищей. В лечении подагры используется аллопуринол — ингибитор ксантиноксидазы.
De novo синтез пиримидиновых нуклеотидов
В отличие от пуринов, при биосинтезе пиримидинов de novo вначале образуется пиримидиновое кольцо, а лишь затем к нему присоединяется рибозо-5-фосфат.
Источниками атомов для пиримидинового кольца являются глутамин, аспартат и СО2. Синтез начинается с образования карбамоилфосфата:
В отличие от карбамоилфосфатсинтетазы I, фермент синтеза пиримидинов использует амидный азот глутамина (а не свободный аммиак) и локализован в цитоплазме.
В зависимости от типа составляющих нуклеопротеидных комплексов нуклеиновых кислот различают рибонуклеопротеины и дезоксирибонуклеопротеины.
Устойчивость нуклеопротеидных комплексов обеспечивается ковалентным взаимодействием. В разных нуклеопротеидов для обеспечения стабильности комплекса вносят вклад различные типы взаимодействий, при этом нуклеиново-белковые взаимодействия могут быть специфическими и неспецифическими. В случае специфического взаимодействия определенный участок белка связана со специфической (комплементарной) нуклеотидной последовательностью, в этом случае вклад водородных связей, образующихся между нуклеотидными и аминокислотными остатками благодаря пространственной взаимном соответствии фрагментов, максимален. В случае неспецифической взаимодействия основной вклад в стабильность комплекса вносит электростатическое взаимодействие отрицательно заряженных фосфатных групп полианион нуклеиновой кислоты с положительно заряженными аминокислотными остатками белка.
Примером специфического взаимодействия могут служить нуклеопротеидные комплексы рРНК — субъединицы рибосом; неспецифическая электростатическое взаимодействие характерно для хромосомных комплексов ДНК — хроматина с гистонами и комплексов ДНК-протамины головок сперматозоидов некоторых животных.
Нуклеопротеиды диссоциируют на белки и нуклеиновые кислоты при действии агентов, разрушающих или ослабляют Нековалентные связи:
Некоторые нуклеопротеиды (рибосомные субчастицы, нуклеокапсиды вирусов) обладают способностью самосборки, то есть формирования, при соответствующих условиях, нуклеопротеидов in vitro без участия клеточных структур или агентов; такое самосборки возможно в случае специфических нуклеиново-белковых взаимодействий (нуклеиново-белковом распознавании). В любом случае, при образовании нуклеопротеидов происходят существенные конформационные изменения нуклеиновых кислот и, в некоторых случаях, белков, образующих Нуклеопротеидные комплекс.
Распространенность и биологическая роль
Сильнейших конформационных изменений при образовании нуклеопротеидов испытывают нуклеиновые кислоты, и эти изменения существенные в случае образования дезоксирибонуклеопротеидив. В отличие от одноцепочечной РНК, способной образовывать вторичные и третичные структуры за счет антипараллельных комплементарной спаривания смежных отрезков цепи, двухцепочечная ДНК такой возможности нет и существует в растворах в виде значительного более «рыхлых», по сравнению с компактными глобулами РНК, клубков. Однако связывание ДНК с сильноосновные белками (гистонами и Протамина) за счет электростатического взаимодействия приводит к значительно плотнее упакованных нуклеопротеидных комплексов — хроматина, обеспечивает компактное хранение ДНК и, соответственно, наследственной информации в составе хромосом эукариот. С другой стороны, большая конформационная подвижность РНК и ее каталитические свойства приводят к большому разнообразию рибонуклеопротеидив, выполняющих различные функции.
Дезоксирибонуклеопротеиды
Рибонуклеопротеины
В клетках в наибольших количествах содержатся два класса рибонуклеопротеидив:
Нуклеокапсиды вирусов
Нуклеокапсиды вирусов достаточно плотно упакованными комплексами белков с нуклеиновой кислотой (ДНК или РНК в ретровирусов) и как функционально, так и структурно близки к хроматина, будучи компактной формой вирусного генома.
Существует два основных типа нуклеокапсидных структур: палочковидная (нитевидная) или сферическая («изометрическая»). В первом случае связанные белковые субъединицы периодически располагаются вдоль нити нуклеиновой кислоты таким образом, что она сворачивается в спираль, образуя своего рода «инвертированную нуклеосому», в которой, в отличие от нуклеосом эукариот, белковая часть расположена не внутри, а снаружи структуры. Такая структура нуклеокапсидов типична для вирусов растений (в частности, вируса табачной мозаики) и миксо-, парамиксо- и рабдовирусов, нуклеокапсиды которых имеют спиральную форму.
В изометрических структурах упаковка нуклеиновой кислоты вирусного генома сложнее: белки оболочки нуклеокапсида относительно слабо связаны с нуклеиновой кислотой или нуклеопротеидами, что накладывает минимум ограничений на способ упаковки нуклеиновой кислоты. Нуклеопротеиды «сердцевины» при этом могут быть весьма сложно организованы: так, в паповавирусов двланцюжкова кольцевая ДНК, связываясь с гистонами, образует структуры, очень похожие на нуклеосомы.
Презентация была опубликована 7 лет назад пользователемОксана Шукшина
Похожие презентации
Презентация на тему: » Нуклеопротеины комплексы нуклеиновых кислот с белками. К нуклеопротеинам относятся устойчивые комплексы нуклеиновых кислот с белками, длительное время.» — Транскрипт:
1 Нуклеопротеины комплексы нуклеиновых кислот с белками. К нуклеопротеинам относятся устойчивые комплексы нуклеиновых кислот с белками, длительное время существующие в клетке в составе органелл или структурных элементов клетки в отличие от разнообразных короткоживущих промежуточных комплексов белок-нуклеиновая кислота (комплексы нуклеиновых кислот с ферментами синтетазами и гидролазами при синтезе и деградации нуклеиновых кислот, комплексы нуклеиновых кислот с регуляторными белками и т. п.). В зависимости от типа входящих в состав нуклеопротеиновых комплексов нуклеиновых кислот различают рибонуклеопротеины и дезоксирибонуклеопротеины. Нуклеопротеины составляют существенную часть рибосом, хроматина, вирусов. В рибосомах рибонуклеиновая кислота (РНК) связывается со специфическими рибосомальными белками. Вирусы являются практически чистыми рибо- и дезоксирибонуклеопротеинами. В хроматине нуклеиновая кислота представлена дезоксирибонуклеиновой кислотой, связанной с разнообразными белками, среди которых можно выделить две основные группы – гистоны и негистоновые белки.
2 Устойчивость нуклеопротеиновых комплексов обеспечивается нековалентным взаимодействием. У различных нуклеопротеинов в обеспечение стабильности комплекса вносят вклад различные типы взаимодействий, при этом нуклеиново-белковые взаимодействия могут быть специфичными и неспецифичными. В случае специфичного взаимодействия определённый участок белка связан со специфичной (комплементарной участку) нуклеотидной последовательностью, в этом случае вклад водородных связей, образующихся между нуклеотидными и аминокислотными остатками благодаря пространственному взаимному соответствию фрагментов, максимален. В случае неспецифичного взаимодействия основной вклад в стабильность комплекса вносит электростатическое взаимодействие отрицательно заряженных фосфатных групп полианиона нуклеиновой кислоты с положительно заряженными аминокислотными остатками белка.
3 Примером специфичного взаимодействия могут служить нуклеопротеидные комплексы рРНК субъединицы рибосом; неспецифичное электростатическое взаимодействие характерно для хромосомных комплексов ДНК хроматина и комплексов ДНК- протамины головок сперматозоидов некоторых животных. Нуклеопротеиновый комплекс субчастица 50S рибосом бактерий. Коричневым показана рРНК, синим белки.
7 Свойства азотистых оснований: плохо растворимы в воде (гидрофобны); плоскостные (копланарные); поглощают ультрафиолет при 260 нм.
10 Свойства: несут отрицательный заряд проявляют кислотные свойства Номенклатура нуклеотидов: нуклеозид-5´-монофосфат, нуклеозид-5´-дифосфат, нуклеозид-5´-трифосфат. Строение АТФ Строение ЦТФ Нуклеотид = фосфорилированный нуклеозид = нуклеозид остатка H 3 PO 4
11 Образование названий нуклеозидов и нуклеотидов аденозин-5`-монофосфат или адениловая кислота или АМФ аденинаденозин гуанин цитозин урацил тимин гуанозин цитидин уридин тимидин В случае дезоксирибонуклеотидов к названию основания прибавляется «дезокси» основаниенуклеозид Кирюхин Д.О.
14 Известны также циклические нуклеотиды, в которых фосфорная кислота образует сложноэфирные связи одновременно с 5 и 3-атомами углерода рибозного цикла. Это аденозин-3,5-циклофосфат (цАМФ) и гуанозин-3,5- циклофосфат (цГМФ). Эти два нуклеотида не входят в состав НК, но играют роль передатчиков, вторичных посредников (мессенджеров) сигналов в клетке, стимулируя переход белков из неактивного состояния в активное, или наоборот.
17 Соединение двух нуклеотидов в динуклеотид 3,5- фосфодиэфирной связью
21 Пространственная структура ДНК
22 Вторичная структура ДНК представлена двойной спиралью, в которой две полинуклеотидные цепи расположены антипараллельно и удерживаются относительно друг друга за счет взаимодействия между комплементарными азотистыми основаниями. Полинуклеотидные цепи молекулы ДНК неидентичны, но комплементарны друг другу.
24 наибольшее перекрывание наименьшее перекрывание Комплементарные основания обращены внутрь молекулы, лежат в одной плоскости, которая практически перпендикулярна оси спирали. В результате образуется стопка оснований, между которыми возникают гидрофобные взаимодействия, обеспечивающие основной вклад в стабилизацию структуры спирали.
26 Третичная структура ДНК формируется при ее взаимодействии с белками. Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому, в составе которой разнообразные белки связываются с отдельными участками ДНК и обеспечивают суперспирализацию и компактизацию молекулы. Общая длина ДНК гаплоидного набора из 23 хромосом человека составляет 3,5 × 10 9 пар нуклеотидов. Хромосомы образуют компактные структуры только в фаз уделения. В период покоя комплексы ДНК с белками равномерно распределены по объему ядра, образуя хроматин. Белки хроматина делят на две группы: гистоны и негистоновые белки.
28 Взаимодействие гистонов и ДНК Участок суперспирали ДНК
29 Пространственная структура РНК
30 Вторичная структура РНК формируется в результате спирализации отдельных участков одноцепочечной РНК. В спирализованных участках или шпильках комплементарные пары азотистых оснований А и U, G и С соединяются водородными связями. Длина спирализованных участков невелика, содержит от 20 до 30 нуклеотидных пар. Эти участки чередуются с неспирализованными участками молекулы. Третичная структура РНК формируется за счет образования дополнительных водородных связей между нуклеотидами, полинуклеотидной цепью и белками, стабилизируется ионами Мg 2+ и обеспечивает дополнительную компактизацию и стабилизацию пространственной структуры молекулы.
31 Минорные основания входят в состав 10% от всех нуклеотидов. Обнаружено до 50 разновидностей. Встречаются в т-РНК, р-РНК и митохондриальной ДНК. Минорные основания выполняют 2 функции: они делают НК устойчивыми к действию нуклеаз и поддерживают определённую третичную структуру молекулы, так как не могут участвовать в образовании комплементарных пар, и препятствуют спирализации определённых участков в полинуклеотидной последовательности тРНК.
32 Типы клеточной РНК в зависимости от функций. Вид РНКРазмер в нуклеотидах Функции 1Гетерогенный ядерные РНК (гяРНК) Проматричные РНК, которые в дальнейшем превратятся в матричные РНК 2Информационные или матричные РНК (иРНК или мРНК) Являются матрицами для синтеза белков 3Транспортные РНК (тРНК) 70-90Поставляют аминокислоты в ходе синтеза белков 4Рибосомальные РНК (рРНК) Несколько классов с размерами от 100 до Являются строительными блоками рибосом 5Малые ядерные РНК (мяРНК) Участвуют в упаковке рибопротеиновых частиц, сплайсинге и т.д.
37 Отличия между РНК и ДНК: количество цепей: в РНК одна цепь, в ДНК две цепи, размеры: ДНК намного крупнее, локализация в клетке: ДНК находится в ядре, почти все РНК – вне ядра, вид моносахарида: в ДНК – дезоксирибоза, в РНК – рибоза, азотистые основания: в ДНК имеется тимин, в РНК – урацил. функция: ДНК отвечает за хранение наследственной информации, РНК – за ее реализацию.
42 2. Энергетическая. Макроэргические молекулы (макроэрги) биологические молекулы, которые способны накапливать и передавать энергию в ходе реакции. При гидролизе одной из связей высвобождается более 20 к Дж/моль в отличие от простой связи, энергия которой составляет около 13 к Дж/моль. Все нуклеозидтрифосфаты и нуклеозиддифосфаты (АТФ, ГДФ и их аналоги) содержат одну или две фосфоангидридные связи, энергия каждой из них составляет 32 к Дж/моль.
44 При отщеплении от молекулы АТФ (ГТФ и т.д.) одного или двух остатков фосфорной кислоты образуется соответственно молекула АДФ (аденозиндифосфат) или АМФ (аденозинмонофосфат).
Белок ДНК, РНК
(гистоны)
аминокислоты мононуклеотиды
пуриновые и пентоза
