2.3. Матричные синтезы. Часть 1

Содержание

Слайд 2

Основной фигурой матричных биосинтезов являются нуклеиновые кислоты. Они представляют собой высокомолекулярные

Основной фигурой матричных биосинтезов являются
нуклеиновые кислоты.
Они представляют собой высокомолекулярные

биополимеры, состоящие из нуклеотидов, соединенных между собой фосфодиэфирными связями.
Слайд 3

Структура ДНК и РНК – это своеобразный способ записи информации в

Структура ДНК и РНК – это своеобразный способ записи информации в

организме.
В подавляющем большинстве случаев передача наследственной информации от материнской клетки к дочерней осуществляется при помощи ДНК (процессу предшествует репликация).
Для использования генетической информации самой клеткой необходимы РНК, образуемые на матрице ДНК (транскрипция).
Далее РНК непосредственно участвуют на всех этапах синтеза белковых молекул (трансляция), обеспечивающих структуру и деятельность клетки.
Некоторые вирусы (ретровирусы) обладают способностью заставлять клетку синтезировать ДНК на матрице вирусной РНК – это называется обратной транскрипцией.
Исправление ошибок в структуре ДНК, возникших под воздействием факторов внешней и внутренней среды, осуществляется в ходе матричного синтеза, названного репарацией
Слайд 4

На вышесказанном основана центральная догма молекулярной биологии: перенос генетической информации осуществляется

На вышесказанном основана центральная догма молекулярной биологии:
перенос генетической информации

осуществляется только от нуклеиновой кислоты (ДНК и РНК). Получателем информации может быть другая нуклеиновая кислота (ДНК или РНК) и белок.
Транскрипция Трансляция

ДНК

мРНК

БЕЛОК

Обратная транскрипция

Слайд 5

ВИДЫ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ В зависимости от строения углевода, входящего в состав

ВИДЫ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

В зависимости от строения углевода, входящего в состав нуклеотидов,

выделяют рибонуклеиновые кислоты (РНК) – содержащие рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) – содержащие дезоксирибозу.

РНК

ДНК

Слайд 6

ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИНОВАЯ КИСЛОТА (ДНК) ДНК Остаток фосфорной кислоты Азотистые основания Дезоксирибоза

ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИНОВАЯ КИСЛОТА (ДНК)

ДНК

Остаток фосфорной кислоты

Азотистые основания

Дезоксирибоза

Слайд 7

ДНК содержится в ядре и митохондриях клеток и имеет три структурных

ДНК содержится в ядре и митохондриях клеток и имеет три структурных

уровня организации.
ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА ДНК
Представляет собой последовательность дезоксирибо-нуклеотидов, соединенных между собой 3 ',5'-фосфо-диэфирными связями.
Свободный 3 '-конец содержит свободную гидроксильную группу и называется ОН-концом, а 5 '-конец содержит фосфатную группу и называется Р-концом.
Направление цепи в первичной структуре 5 ' 3 '.
Первичная структура определяет уникальность структуры и функциональную индивидуальность ДНК. При этом остов цепи ДНК всегда постоянен на протяжении и представляет собой чередование групп: пентоза-фосфат-пентоза. Вариабельными группами служат азотистые основания.
Слайд 8

ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА ДНК Пространственная структура ДНК, представляющая собой двухцепочечную правозакрученную спираль.

ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА ДНК

Пространственная структура ДНК, представляющая собой двухцепочечную правозакрученную спираль.
В каждой

цепи мономерами выступают дезоксирибонуклеотиды – дАМФ, дГМФ, дЦМФ, дТМФ.
Дезоксирибонуклеотиды связаны между собой через фосфатные мостики между 3' и 5' атомами углерода соседних дезоксирибоз.
Цепи ДНК антипараллельны, т.е. одна из них имеет направление 5' 3‘, а 3’ 5‘.
Та цепь ДНК, которая содержит в себе информацию о структуре какого-либо определенного гена называется кодирующей или матричной, другая – некодирующей.
цепи антипараллельны, т.е. направлены в разные стороны.
Слайд 9

Слайд 10

Взаимодействие нуклеотидов ДНК Цепочки ДНК соединены между собой непрочными водородными связями,

Взаимодействие нуклеотидов ДНК
Цепочки ДНК соединены между собой
непрочными водородными

связями, которые,
удерживают их вместе благодаря своей
многочисленности (по типу застежки-
«молнии»)
Эти водородные связи образуются между
пуриновыми и пиримидиновыми азотистыми
основаниями по принципу
комплементарности: аденину соответствует
тимин (две водородные связи), а гуанину –
цитозин (три водородные связи)
Две цепи соединяются между собой таким
образом, что все азотистые основания
обращены вовнутрь двойной спирали, а пентозофосфатный остов расположен кнаружи.
Комплементарные основания уложены в стопку в середине спирали и между ними возникает гидрофобное взаимодействие, стабилизирующее двойную спираль
Последовательность нуклеотидов одной цепи полностью комплементарна последовательности второй цепи
Слайд 11

КОМПЛЕМЕНТАРНЫЕ ПАРЫ А = = = Т Г ≡ ≡ ≡

КОМПЛЕМЕНТАРНЫЕ
ПАРЫ

А = = = Т

Г ≡ ≡ ≡ Ц

N

− Н

О

:

N

N

N

N

Н

Н

Пентоза
нить А

9

Н − N − Н

N

О

:

:

Пентоза
нить Б

N

Г

Ц

. . . .

. . .

. . .

А
аденозин

НNО2

N

N

N

О


(гипоксантин)

тогда пара А = = = Т заменяется на пару инозин − Ц

Н

Слайд 12

ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА ДНК Представляет собой суперспираль. Суперспирализация ДНК необходима для ее

ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА ДНК

Представляет собой суперспираль.
Суперспирализация ДНК необходима для ее компактной упаковки

в ядре клетки и формирования хромосом.
ДНК – наиболее важная часть хромосом: две двухцепочечные молекулы ДНК образуют одну хромосому.
Наиболее хорошо хромосомы видны перед митозом и во время его. В покоящихся клетках хромосомный материал выглядит нечетко и распределен по всему ядру. В таком состоянии он получил название "хроматин".
В составе хроматина выделяют 60% белка (гистоны и кислые белки), 35% ДНК и около 5% РНК.
Хроматин уложен в виде сферических частиц – нуклеосом, соединенных друг с другом нитью ДНК.
Слайд 13

ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА ДНК Нуклеосома представляет собой комплекс участка молекулы ДНК и

ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА ДНК

Нуклеосома представляет собой комплекс участка молекулы ДНК и восьми

молекул гистонов.
В составе нуклеосомы находятся по 2 молекулы каждого типа гистонов Н2α, Н2β, Н3, Н4.
Нить ДНК, последовательно контактируя с гистонами Н2α, Н2β, Н4, Н3, Н3, Н4, Н2β, Н2α, наматывается в 1,75 оборота на гистоновое ядро, которое "маскирует" 146 пар оснований ДНК.
Гистон Н1 связывается с нуклеосомой на участке входа и выхода ДНК так называемый линкерном участоке), "склеивая" и "маскируя" еще 20 пар оснований. Гистон Н1 защищает ДНК в этом месте от действия нуклеаз. Таким образом, с помощью одной нуклеосомы замаскировано 166 пар оснований, формируя структуру по типу «нитки бус» .
Кроме нуклеосом, в ядре присутствуют еще 2 уровня укладки ДНК: фибриллы диаметром 10 нм, состоящие из цепочки нуклеосом, и волокна, диаметром 30 нм, образующиеся при закручивании фибрилл в суперспираль. На виток такой спирали приходится 6-7 нуклеосом.
Участок ДНК между нуклеосомами называется спейсерным (англ: space – пространство), его длина варьирует в зависимости от вида организма и типа клеток. У человека она составляет около 50-60 пар нуклеотидов.
Слайд 14

МИТОХОНДРИАЛЬНАЯ ДНК Митохондрии имеют собственный уникальный геном, представленный одной кольцевой молекулой

МИТОХОНДРИАЛЬНАЯ ДНК

Митохондрии имеют собственный уникальный геном, представленный одной кольцевой молекулой ДНК,

которая кодирует синтез 13 белков.
Митохондриальная ДНК наследуется по материнской линии, так как он происходит из цитоплазмы яйцеклетки
Имеет некоторые особенности:
Отсутствие свободных концов
Отсутствие участков- интронов (процесс сплайсинга отсутствует)
Отсутствие процесса кэпирования
Отсутствие в митохондриях ферментов репарации (и как следствие большое число их ошибок в их ДНК )
ДНК митохондрий не метилируется
Наличие отклонений от универсального генетического кода
Слайд 15

ЗНАЧЕНИЕ ДНК Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой молекулу, кодирующую генетическую информацию,

ЗНАЧЕНИЕ ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой молекулу, кодирующую генетическую информацию, используемую

в развитии и функционировании всех известных живых организмов и многих вирусов.
Передает информацию в ряду клеточных поколений
Наряду с РНК и белками, ДНК является одним из основных макромолекулярных веществ, необходимых для всех известных форм жизни.
Слайд 16

РИБОНУКЛЕИНОВАЯ КИСЛОТА (РНК) Рибонуклеиновая кислота (РНК) представляет собой последовательность рибонуклео-зидмонофосфатов –

РИБОНУКЛЕИНОВАЯ КИСЛОТА (РНК)

Рибонуклеиновая кислота (РНК) представляет собой последовательность рибонуклео-зидмонофосфатов – АМФ,

ГМФ, ЦМФ, УМФ, связанных друг с другом 5'-3'-фосфодиэфирными связями.
Основной функцией РНК является
«переписывание» генетической информации с
ДНК и реализация ее в биосинтезе белка
(трансляция) , путем участи ее в непосредственном формировании белок-синтезирующей системы.
Слайд 17

УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ РНК Первичный уровень организации РНК, также как и ДНК,

УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ РНК

Первичный уровень организации РНК, также как и ДНК, представляет

собой одноцепочечную молекулу биополимера, состоящего из мономеров-нуклеотидов, содержащих в себе рибозу (вместо дезоксирибозы) и пиримидиновое основание урацил одним (вместо тимина)
Вторичная структура представлена одноцепочечной последовательностью нуклеотидов, формирующей отдельные участки спирализации за счет возникновения водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями. Это так называемые «шпильки» РНК. При этом участки цепи в этих спирализованых структурах антипараллельны, но не всегда полностью комплементарны. Правила Чаргаффа к ним не применимо. Спирализованные участки характерны для всех типов РНК.
Третичный уровень организации РНК представляет собой компактную структуру, возникающую за счет взаимодействия спирализованных элементов вторичной структуры. В стабилизации принимают участие ионы магния
Слайд 18

H О Н О ОH N N NH2 N N НО

H

О

Н О

ОH

N

N

NH2

N

N


НО − Р − О − СН2

О

О

5-конец
(Р-конец)

5

9

3

H

H

H

О

О

ОH

N

NH2

O

N

НО − Р − О − Н2С

НO

О

5

1

3

H

H

А

А − Ц − Г

Ц

H

О

О

ОH

N

N

О

N

N − Н

НО − Р − О − СН2

О

5

3

H

H

NН2

3| -конец
(ОН-конец)

Г

Фосфоди-
эфирная связь

Первичная структура РНК

Слайд 19

ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА РНК

ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА РНК

Слайд 20

ВИДЫ РНК

ВИДЫ РНК

Слайд 21

ВИДЫ РНК Матричные РНК (мРНК) Представляют собой линейную последовательность нуклеотидов. К

ВИДЫ РНК

Матричные РНК (мРНК)
Представляют собой линейную последовательность нуклеотидов. К 5'-концу

молекулы присоединен метилгуанозиндифосфат, на 3'-конце имеется полиадениловая последовательность. Образуются в процессе транскрипции (переписывания) с кодирующей цепи ДНК.
Их функция – информационная, т.е. перенос информации о структуре белков от ДНК к месту их синтеза.
Малые РНК используются для созревания мРНК и некоторых других клеточных процессов.
Рибосомальные РНК (рРНК)
У прокариот и эукариот различны и отличаются величиной седиментации (скорости оседания молекулы при центрифугировании). Они участвуют в построении рибосом.
У прокариот три разновидности рРНК: 5S, 16S и 23S. Малую (30S) субчастицу рибосом образуют белки и 16S-рРНК; большую (50S) субъединицу – белки, 23S-рРНК и 5S-рРНК.
У эукариот в составе рибосом четыре разновидности рРНК: 5S, 5,8S, 18S и 28S.
Малую (40S) субъединицу образуют белки и 18S-рРНК, большую (60S) – белки и 5S-, 5,8S-, 28S-рРНК.
Слайд 22

ТРАНСПОРТНЫЕ РНК (тРНК) Транспортные РНК (тРНК) бактерий и эукариот включают 73-93

ТРАНСПОРТНЫЕ РНК (тРНК)

Транспортные РНК (тРНК) бактерий и эукариот включают 73-93 нуклеотида.

Они переносят аминокислоты из цитозоля к рибосомам.
На 5'-конце тРНК находится гуаниловый нуклеотид, на 3'-конце – триплет Ц-Ц-А.
Вторичная структура тРНК напоминает клеверный лист, а третичная – латинскую букву L.

В "клеверном листе" выделяют четыре участка (или ветви, петли), каждый из которых имеет собственную функцию:
антикодоновый – соединяется с кодоном матричной РНК в рибосоме,
псевдоуридиловый – отвечает за связывание с рибосомой,
дигидроуридиловый – отвечает за связывание с аминоацил-тРНК-синтазой,
акцепторный – связывает переносимую аминокислоту.

Слайд 23

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДНК И РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ РНК

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДНК И РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ РНК

Слайд 24

РЕПЛИКАЦИЯ В организме постоянно происходит деление клеток. Каждая соматическая клетка получает

РЕПЛИКАЦИЯ

В организме постоянно происходит деление клеток. Каждая соматическая клетка получает диплоидный

набор хромосом.
Делению клетки предшествует удвоение ДНК.
Синтез ДНК происходит не беспорядочно, а в строго определенный период жизни клетки. Всего выделяют 4 фазы клеточного цикла: митоз (М), синтетическую (S), пресинтетическую (G1, от англ. gap – интервал), постсинтетическую (G2).
Важное участие в регуляции смены фаз клеточного цикла занимают белки циклины. По функции циклины – это активаторные субъединицы ферментов циклин-зависимых киназ.
Синтез (репликация, удвоение) ДНК происходит в S-фазу клеточного цикла, когда клетка готовится к делению. Мэтью Мезельсон и Франклин Сталь в 1957г установили, что репликация осуществляется полуконсервативным способом, т.е. на каждой нити материнской ДНК синтезируется дочерняя копия. Образовавшиеся молекулы ДНК будут иметь в своем составе одну дочернюю и одну материнскую цепь.
Слайд 25

РЕПЛИКАЦИЯ Фазы репликации: Инициация Элонгация Терминация Репликация требует наличия нескольких компонентов:

РЕПЛИКАЦИЯ

Фазы репликации:
Инициация
Элонгация
Терминация
Репликация требует наличия нескольких компонентов:
Матрица – в

ее роли выступает материнская нить ДНК
Субстраты для синтеза – дАТФ, дГТФ, дЦТФ, ТТФ,
Источник энергии – дАТФ, дГТФ, дЦТФ, ТТФ
Ферменты
Факторы роста
SSВ-белки
Слайд 26

ИНИЦИАЦИЯ Запускается факторами роста. 1) В определенных участках, получивших название точка

ИНИЦИАЦИЯ

Запускается факторами роста.
1) В определенных участках, получивших название точка ori

(англ. origin – начало, на молекуле ДНК около 100 таких точек), на ДНК действует фермент ДНК-топоизомераза 1. Она разрывает фосфодиэфирную связь в молекуле ДНК и крепится к 5‘-концу в месте разрыва.
2) Фермент ДНК-хеликаза разрывет водородные связи между цепочками ДНК. Процесс распространяется от этих участков в обе стороны по нитям ДНК с образованием репликативных "пузырей". В каждом таком "пузыре" имеются две репликативные "вилки", в которых происходит раскручивание и непосредственный синтез ДНК. При этом репликативные вилки удаляются друг от друга
3) Обратному соединению и закручиванию ДНК препятствуют SSВ-белки, крепящиеся к каждой из цепей ДНК. Азотистых оснований они не перекрывают.
Слайд 27

ЭЛОНГАЦИЯ Включает в себя процесс образования новых цепей. Синтез идет в

ЭЛОНГАЦИЯ

Включает в себя процесс образования новых цепей. Синтез идет в направлении

5‘-3‘. Осуществляется под действием ДНК-полимераз.
1) ДНК-полимераза α присоединяется к участку на раскрученной цепи ДНК в репликативной вилке и синтезирует небольшой фрагмент РНК (праймер) из 8 – 10 нуклеотидов и участок ДНК из 50 нуклеотидов
2) Затем ДНК-полимераза δ продолжает наращивать цепь ДНК
3) ДНК-полимераза ε достраивает праймеры РНК до их встречи друг с другом (работает только на отстающей цепи)
4) ДНК-полимераза β удаляет постепенно РНК праймеры и заполняет образовавшуюся брешь комплементарными дезоксирибонуклеотидами
5) ДНК-лигаза «сшивает» фрагменты цепи с формированием фосфодиэфирных связей
Все репликация ДНК занимает примерно 9 часов
Слайд 28


Слайд 29

В каждой репликативной вилке одновременно синтезируется 2 дочерние цепи. В одной

В каждой репликативной вилке одновременно синтезируется 2 дочерние цепи. В одной

направление синтеза совпадает с направлением движения вилки (это лидирующая цепь), на другой – нет (отстающая цепь). Синтез на лидирующей цепи идет непрерывно, на отстающей – отдельными короткими фрагментами (фрагменты Оказаки) . Каждый фрагмент Оказаки содержит праймер (удаляется и заполняется ДНК-полимеразой β).

Т.к. ДНК – очень крупная структура, инициация репликации происходит одновременно в нескольких участках (ориджины репликации). Участок ДНК между двумя ориджинами называется репликоном.

Слайд 30

ТРАНСКРИПЦИЯ это процесс синтеза РНК на матрице ДНК Принципы: Матричность Комплементарность

ТРАНСКРИПЦИЯ это процесс синтеза РНК на матрице ДНК

Принципы:
Матричность
Комплементарность
Антипараллельность

Условия:
ДНК-матрица
Нуклеотиды (ATP, GTP, CTP, UTP)
Ферменты

(РНК-полимеразы) и другие белки
Энергия (АТФ)
Среда (Mg, pH)
Слайд 31

ТРАНСКРИПЦИЯ Синтез РНК начинается в определенных участках ДНК (промоторах) и заканчивается

ТРАНСКРИПЦИЯ

Синтез РНК начинается в определенных участках ДНК (промоторах) и заканчивается в

терминальных участках (сайтах терминации).
Участок ДНК между промотором и терминатором называется транскриптоном. В транскриптоне одна цепь матричная (содержит информацию об определенном гене), а вторая – кодирующая.
Синтез мРНК всегда идет от 5‘ конца к 3‘-концу и с фазами клеточного цикла не связан.
Слайд 32

СТРУКТУРА ТРАНСКРИПТОНА 5’ 3’ промотор 5’-нетранслируемая область 3’-нетранслируемая область кодирующий участок

СТРУКТУРА ТРАНСКРИПТОНА

5’

3’

промотор

5’-нетранслируемая область

3’-нетранслируемая область

кодирующий участок

терминатор

Транскриптон прокариот

5’-нетранслируемая область

3’-нетранслируемая область

5’

3’

промотор

терминатор

экзоны

интроны

Транскриптон эукариот

Слайд 33

ТРАНСКРИПЦИЯ (ЭУКАРИОТЫ) РНК-полимеразы – основные ферменты синтеза РНК: РНКП I синтезирует

ТРАНСКРИПЦИЯ (ЭУКАРИОТЫ)
РНК-полимеразы – основные ферменты синтеза РНК:
РНКП I синтезирует 5.8 S, 18

S, 28 S рРНК.
РНКП II синтезирует мРНК, мяРНК.
РНКП III синтезирует тРНК, 5 S рРНК, мяРНК.
РНКП митохондриальная
Слайд 34

Структура промотора эукариот (для РНКП II) 5’ 3’ 5’ 3’ +1

Структура промотора эукариот (для РНКП II)

5’

3’

5’

3’

+1

-25

-60/-80

-100/-300

CAT
(старт)

ТАТААА
(ТАТА-бокс)

СААТ-бокс

GC-мотивы

Слайд 35

ТРАНСКРИПЦИЯ Начинается с активатора промотра белком ТАТА-фактором. Он присоединяется к специфической

ТРАНСКРИПЦИЯ

Начинается с активатора промотра белком ТАТА-фактором. Он присоединяется к специфической последовательности

в промоторе ТАТА-боксу.
После образования комплекса действуют РНК-полимеразы и цепь ДНК раскручивается на виток.
РНК-полимераза синтезирует до 10 нуклеотидных остатков
σ-субъединица от РНК-полимеразы отделяется и на ее место присоединяется фактор элонгации
Фактор элонгации активирует действие РНК-полимеразы и наращивает цепь РНК
Процесс прекращается после достижения терминатора
Первичный транскриптон и РНК-полимераза отделяются от ДНК
Слайд 36

ПРОЦЕССИНГ РНК Процессингом РНК называют комплекс посттранскрипционных модификаций РНК (созревание молекулы

ПРОЦЕССИНГ РНК

Процессингом РНК называют комплекс посттранскрипционных модификаций РНК (созревание молекулы РНК).


Этапы процессинга мРНК:
Модификация 5’-конца
Модификация 3’-конца
Сплайсинг
Слайд 37

ЗНАЧЕНИЕ КЭПа: Защита 5’-конца мРНК от деградации Взаимодействие с рибосомой при

ЗНАЧЕНИЕ

КЭПа:
Защита 5’-конца мРНК от деградации
Взаимодействие с рибосомой при инициации трансляции
Транспорт мРНК

из ядра
polyA-хвоста:
Защита 3’-конца мРНК от деградации
Транспорт мРНК из ядра
Участие в сплайсинге (гипотеза)
Слайд 38

СПЛАЙСИНГ (Р. Робертс, Ф. Шарп, 1977 г.) Сплайсинг – удаление интронов

СПЛАЙСИНГ (Р. Робертс, Ф. Шарп, 1977 г.)

Сплайсинг – удаление интронов и соединение

экзонов.
Интроны – некодирующие участки гена.
Экзоны – информативные участки гена.
Типы интронов:
Интроны I типа – в генах рРНК Простейших (аутосплайсинг)
Интроны II типа в митохондриальных генах многих эукариот (аутосплайсинг)
Интроны III типа – в генах ядерных мРНК (сплайсосома).