КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО БИОХИМИИ

Вопрос 1

Дайте характеристику различных видов РНК.

В клетках существует три главных типа РНК [1-5]: информационная, или матричная РНК (мРНК), рибосомная РНК (рРНК) и транспортная РНК (тРНК). В ядре клеток эукариот содержится РНК четвертого типа – гетероядерная РНК (гяРНК). Все эти три типа характеризуются определенным молекулярным весом и определенным нуклеотидным составом (табл. 1).

Таблица 1 Характеристика разных РНК E. coli [1,2]

Тип РНК	Содержание, %	Коэффициент седиментации, S	Мr	Число нуклеотидов
рРНК	80	23 6 5	1 млн. 500 тыс. 35 тыс.	3 тыс. 1,5 тыс. 100
тРНК	15	4	25 тыс.	75
мРНК	5	4-26	25 тыс.- 1 млн.	75-3000

Молекулы у всех трех типов РНК одноцепочечны. Каждый из типов РНК включает несколько молекулярных видов. Для рРНК известно три основных вида; число видов тРНК доходит до 60, а число видов мРНК достигает сотен и даже тысяч. В большинстве клеток содержание РНК во много раз (от 5 до 10) превышает содержание ДНК.

мРНК. Содержит только четыре основания – А, Г, Ц и У. Она синтезируется в ядре в процессе транскрипции, в ходе которого нуклеотидная последовательность одной из цепей хромосомной ДНК ферментативным путем транскрибируется с образованием одиночной цепи мРНК. Основания образующейся цепи мРНК комплементарны основаниям соответствующей цепи ДНК. После завершения транскрипции мРНК переходит на рибосомы, где она используется в качестве матрицы, определяющей последовательность аминокислот в растущей полипептидной цепи. Каждый из тысяч различных белков, синтезируемых клеткой, кодируется специфической мРНК или специфическим участком мРНК.

тРНК. Молекулы тРНК сравнительно невелики. Их функция состоит в том, чтобы в ходе белкового синтеза переносить на рибосому определенные аминокислоты. Каждой из 20 аминокислот, обнаруженных в белках, соответствует, по крайней мере, одна тРНК. Молекулы тРНК могут находиться в свободной форме и могут быть "нагружены" специфическими аминокислотами. В тРНК, нагруженной аминокислотой, карбоксильная группа этой аминокислоты связана сложноэфирной связью с 3-гидроксилом концевого остатка адениловой кислоты на одном из концов полинуклеотидной цепи тРНК. Для тРНК характерно наличие, наряду с обычными основаниями А, Г, Ц, и У, довольно значительного количества необычных, или минорных оснований. Содержание их доходит до 10 % общего содержания оснований. Минорные основания представляют собой главным образом метилированные формы обычных оснований или их производные. Кроме того, молекулы тРНК содержат такие мононуклеотиды, как псевдоуридиловая или риботимидиловая кислоты. С конца полинуклеотидной цепи все тРНК содержат обычно остаток гуаниловой кислоты, связанный через 3-гидроксильную группу с соседним нуклеотидным остатком. Концевой остаток гуаниловой кислоты содержит добавочную фосфатную группу при 5-гидроксильной группе. На другом конце цепи все молекулы тРНК имеют одинаковую тринуклеотидную последовательность, а именно фЦфЦфА. 5-гидроксильная группа концевого остатка адениловой кислоты связана с предшествующим остатком цитидиловой кислоты; 2- и 3-положения адениловой кислоты свободны. Общую структуру тРНК поэтому можно изобразить в виде: фГ(фН)_75-90фЦфЦфА ОН.

Свободная 2- или 3-гидроксильная группа концевого остатка адениловой кислоты в последовательности фЦфЦфА молекул тРНК ферментативно этерифицируется специфической в отношении данной тРНК -аминокислотой с образованием активной формы, называемой аминоацил-тРНК [2]:

Остаток этой аминокислоты ферментативно переносится к концу растущей полипептидной цепи на поверхности рибосомы.

Вторичная структура тРНК. Все известные тРНК образуют "клеверный лист" – структуру, образующуюся с помощью водородных связей и состоящую из четырех стеблей (акцепторный, Д, антикодоновый и Т) и трех петель (Д, антикодоновой и Т). Некоторые тРНК имеют дополнительные петли и стебли. Каждый стебель состоит из двух антипараллельных цепей, основания которых образуют друг с другом уотсон-криковские пары с помощью водородных связей. Стебли имеют форму правой двойной спирали, известной как А-форма РНК. Третичная структура тРНК [1]. Молекула напоминает по форме букву Г. Она значительно более вытянута, чем глобулярные белки той же молекулярной массы. Акцепторный и Т-стебли уложены в пространстве таким образом, что образуют одну непрерывную спираль – "перекладину" буквы Г; антикодоновый и Д-стебли образуют "ножку". Эти две части содержат каждая около 10 пар оснований. Почти все основания в тРНК учавствуют в вандер-ваальсовых и гидрофобных взаимодействиях, стабилизирующих пространственную структуру молекулы.

Молекулы тРНК характеризуются наличием антикодона [3], который представляет собой 3 последовательных основания, с помощью которых распознается соответствующий кодон мРНК. Узнавание осуществляется путем образования уотсон-криковских водородных связей между основаниями кодона, с одной стороны, и антикодона – с другой, при условии, что полинуклеотидные цепи антипараллельны.

рРНК. Молекулы рРНК встречаются в различных формах и образуют в комплексе с белками рибосому – сложную органеллу, в которой происходит синтез белка. У некоторых молекул рРНК определена нуклеотидная последовательность. При анализе этих последовательностей обнаружены участки, в которых может происходить спаривание оснований и которые могут участвовать в образовании вторичной структуры, подобно тому, как это происходит в стеблях молекулы тРНК. Отрицательно заряженные фосфатные группы молекул рРНК взаимодействуют с положительно заряженными группами боковых цепей рибосомных белков (аргинин, лизин), что и стабилизирует комплекс белок – нуклеиновая кислота.

вопрос 2

Приведите реакцию, лежащую в основе синтеза белков, на примере получения тетрапептида ала-вал-цис-гли.

Синтез белка осуществляется путем последовательной поликонденсации отдельных аминокислотных остатков, начиная с амино-(N)-конца полипептидной цепи, в направлении к карбоксильному (С)-концу. Каждая аминокислота кодируется кодоном – последовательностью 3 нуклеотидов мРНк, т.е. триплетом. Декодирование мРНК происходит соответственно в направлении 5 3. Тетрапептид ала-вал-цис-гли может кодироваться следующей последовательностью нуклеотидов мРНК: ГЦУ-ГУУ-УГУ-ГГУ-УГА. Последний кодон (УГА) прерывает синтез белка. Указанная последовательность кодонов мРНК образуется в результате процесса транскрипции, ей соответствует следующая последовательность нуклеотидов ДНК: ЦГА-ЦАА-АЦА-ЦЦА-АЦТ.

Таким образом, состав белка в клетке определяется последовательностью нуклеотидов в мРНК и ДНК.

ВОПРОС 3

Приведите структурную формулу НАД (никотинамидадениндинуклеотида), покажите составные части.

Молекула НАД (рис. 1) состоит из двух мононуклеотидных единиц – аденозин-5-фосфата (см. рис. 1, А₁) и никотинамиднуклеотида (см. рис. 1, А₂), соединенных между собой ангидридной связью; их фосфатные группы образуют 5,5-пирофосфатный мостик (см. рис. 1, В).

ВОПРОС 4

Фосфатиды, их биологическое значение.

Фосфатиды [3-5] – это сложные липиды, отличительным признаком которых является присутствие в молекулах остатка фосфорной кислоты. В состав фосфатидов входят также глицерин, жирные кислоты, альдегиды и азотистые соединения (холин, этаноламин, серин). Важнейшие представители фосфатидов – глицерофосфатиды (фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозит, кардиолипин) и фосфосфинголипиды – сфингомиелины. Каждый класс фосфатидов объединяет множество однотипных молекул, содержащих различные жирные кислоты или альдегиды. При этом ненасыщенные жирные кислоты преимущественно находятся при 2-м углеродном атоме молекулы глицерина.

Фосфатиды широко распространены в природе. В качестве основных структурных компонентов они входят в состав клеточных мембран животных, растений и микроорганизмов, определяя их строение и проницаемость, а также активность ряда локализованных в мембранах ферментов. С белками фосфатиды образуют липопротеиновые комплексы. Различным биологическим мембранам присущ определённый состав фосфатидов. Так, кардиолипин – специфический митохондриальный фосфатид; сфингомиелин присутствует в основном в плазматических мембранах. В мембранах микроорганизмов всегда содержится фосфатидилглицерин и редко лецитин (в отличие от клеток животных).

вопрос 5

Каковы признаки авитаминоза В₂? Что является источником этого витамина?

При недостаточном потреблении витамина В₂ у взрослого человека нарушается зрение и повреждаются слизистые оболочки полости рта. Витамин В₂ содержится в зерне, печени, мясе, молоке, яйцах [3].

вопрос 6

Какие аминокислоты являются незаменимыми в питании животных и человека? Приведите примеры.

Незаменимыми являются аминокислоты, которые не синтезируются в организме позвоночных (в том числе и человека) из аммиака [3].

Например [2], для белой крысы известно 10 незаменимых аминокислот: лизин, триптофан, гистидин, фенилаланин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, валин и аргинин.

вопрос 7

Что понимают под окислительным фосфорилированием? Каково значение этого процесса для организма?

Окислительное фосфорилирование [3-5] – это осуществляющийся в живых клетках синтез молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной (АДФ) и фосфорной кислот за счёт энергии окисления молекул органических кислот, образующихся в цикле трикарбоновых кислот. Окислительное фосфорилирование сопряжено с переносом электронов по цепи дыхательных ферментов, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий. Электроны поступают в дыхательную цепь от восстановленного НАДН или НАДФН и через кофермент Q, последовательно передаются от соединений с более отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом к соединениям с более положительным потенциалом. Перенос электронов по цепи завершается восстановлением О₂ с помощью сложного ферментного комплекса - цитохромоксидазы.

Т. о., процесс окисления субстрата кислородом опосредован серией окислительно-восстановительных реакций; в результате каждой из этих реакций энергия, запасённая в молекуле окисляемого субстрата, освобождается небольшими порциями, что позволяет клетке использовать её более полно. Утилизация высвобождаемой энергии происходит в так называемых пунктах энергетического сопряжения. Синтез АТФ из АДФ и фосфата осуществляется ферментным комплексом АТФ-синтетазой (который может катализировать и обратную реакцию - расщепление АТФ).

Эффективность окислительного фосфорилирования оценивают с помощью отношения Р/О, т. е. количества фосфата, связанного при фосфорилировании АДФ, отнесённого к поглощённому О₂. Одна молекула АТФ образуется при переносе 2 электронов через пункт энергетического сопряжения. Р/О при окислении

В результате окислительного фосфорилирования в клетках накапливается АТФ - важнейшее макроэргическое соединение, расходуемое затем на обеспечение энергией различных процессов жизнедеятельности.

вопрос 8

Гликолиз, его энергетический эффект и биологическое значение.

Гликолиз [3-5] – это процесс расщепления углеводов (гл. обр. глюкозы) в отсутствии кислорода под действием ферментов. Конечный продукт гликолиза в клетках животных – молочная (или масляная) кислота. В растительных клетках конечным продуктом гликолиза служит пировиноградная кислота. Освобождающаяся при гликолизе энергия используется в процессах жизнедеятельности. Гликолиз тесно связан с дыханием и брожением. Гликолиз – один из основных источников энергии в клетках. Переносчиком электронов и протонов в этих окислительно-восстановительных реакциях служат коферменты НАД и НАДН, имеющиеся в составе бактериальных клеток и митохондрий, или функционально близкие НАДФ и НАДФН, содержащиеся в хлоропластах. Суммарная реакция гликолиза:

С₆Н₁₂О₆ + 2Фн + 2АДФ 2С₃Н₄О₃ + 2АТФ + 2Н₂О.

Для того чтобы проанализировать энергетику гликолиза, разделим суммарное его уравнение на два процесса, а именно: превращение глюкозы в лактат (экзотермический процесс) и образование АТФ из АДФ и фосфата (эндотермический процесс):

Глюкоза 2 Лактат, G^о₁ = -47,0 ккал;