1.Переваривание и всасывание нуклеопротеидов.
Большая часть нуклеиновых кислот в клетке связана с белком в форме нуклеопротеинов. Поступающие с пищей нуклеопротеины разрушается панкреатическими ферментами. Вначале происходит диссоциация компонентов нуклеопротеинов на белки и нуклеиновые кислоты. Этому способствует кислая среда желудка. Белки затем включаются в обмен вместе с другими белками пищи, а нуклеиновые кислоты гидролизуются нуклеазами сока поджелудочной железы (РНКазами и ДНКазами), с образованием смеси полинуклеотидов. Далее в процесс включаются полинуклеотидазы и фосфодиэстеразы (эндонуклеазы) кишечника Они довершают гидролиз нуклеиновых кислот до мононуклеотидов. В кишечнике, как правило, образуются 3'-фосфат нуклеотиды.
Нуклеотиды гидролизуются нуклеотидазами, с образованием нуклеозидов и Фн. Нуклеозиды, которые обычно рассматриваются как конечный продукт переваривания нуклеиновых кислот в кишечнике, всасываются. В клетках некоторых тканей, в том числе и клетках кишечника, нуклеозиды подвергаются фосфоролизу нуклеозид фосфорилазами,
с образованием оснований и рибозы 1-Ф (или дезоксирибозы 1-P). Рибоза 1-Ф может быть вновь использована для синтеза нуклеотидов или вступает в неокислительную часть пенозофосфатного пути. Пуриновые и пиримидиновые основания также или распадаются далее до конечных продуктов или используются повторно для синтеза нуклеотидов.
Характеристика и функции “ядерных” белков.
В формировании пространственной (третичной) структуры ДНК активное участие принимают белки. Выделяют 2 группы ДНК-связывающих белков: гистоны и не гистоновые белки. Гистоны - главный (по количеству) класс белков. Известны 5 классов гистонов: Н1, Н2а, Н2в Н3 и Н4. Все они различаются по размерам, а/к составу и величине заряда (всегда +):
· H1 - гистоны, богатые лизином;
· H2a и H2b - гистоны, умеренно богатые лизином;
· H3, H4, и H5 - богатые аргинином.
Благодаря положительному заряду гистоны образуют ионные связи с отрицательно заряженными фосфатными группами, расположенными на внешней стороне двойной спирали ДНК. Гистоны укладываются попарно в 8 пар, формируя нуклеосомы; нуклеосомы объединяются в полисомы, которые являются структурами хроматина. Таким образом, в состав хроматина входит 1 молекула ДНК (длина ее около 8 нм, но благодаря суперспирализации она укладывается в 5 нм), гистоны и негистоновые белки.
(негистоновые белки – это ферменты репликации, транскрипции, репарации, белки «цинковые пальцы», «лейциновая застежка» и др.)
2. Мононуклеотиды как структурные компоненты нуклеиновых кислот (НК), их основные функции:
2.1. переносчики энергии - АТФ, ГТФ.
2.2. коферменты - NAD, NADP, FAD, FMN.
2.3. мессенджеры гормональных и др. сигналов - цАМФ, цГМФ.
Мононуклеотиды как структурные компоненты нуклеиновых кислот См. вопрос №5
За счет соединения мононуклеотидов при помощи фосфодиэфирной связи между 3'-углеродным атомом пентозы одного нуклеотида и 5'-углеродным атомом пентозы другого мононуклеотида образуются полинуклеотиды. Молекулярная масса таких молекул может достигать десятков миллионов. Молекулы полинуклеотидов имеют нитевидную структуру. В основе этих нитей лежит однообразно повторяющаяся последовательность из пентозы и остатка фосфорной кислоты, а основания, подобно радикалам аминокислот в полипептиде, находятся на внешней части цепей, где и выполняют основные свои функции. Как и у белков, последовательность мононуклеотидов называют первичной структурой полинуклеотида (нуклеиновой кислоты).
Соединение мононуклеотидов в клетке катализируется полимеразами. Эти ферменты для образования нуклеиновых кислот используют нуклеозидтрифосфаты. В зависимости от типа пентозы различают 2 типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая кислота и дезоксирибо-нуклеиновая кислота.
Молекула ДНК на уровне вторичой структуры представляет двухнитевую спираль, образованную полинуклеотидными цепями, расположенными антипараллельно. Это означает, что одна цепь лежит в направлении от 5'-конца к 3'-концу, а вторая нить - наоборот. Эти 2 полинуклеотидные цепи соединяются между собой при помощи водородных связей, образующихся между азотистыми основаниями. Основания расположены таким образом, что они пространственно дополняют друг друга (принцип комплементарности). Пуриновое основание одной цепи дополняется пиримидиновым другой. Комплементарность очень важна для копирования (репликации) ДНК. Стабильность образуемой спиральной структуры достигается благодаря водородным связям, образующимся между попарно расположенными основаниями, причем максимум водородных связей, как условие максимальной стабильности, возникает лишь в том случае, если образуются пары Аденин - Тимин, Гуанин - Цитозин. Это 5 водородных связей.
В стабилизации вторичной структуры принимают участие и гидрофобные взаимодействия между азотистыми основаниями в пределах каждой из двух полинуклеотидных цепей. Не следует забывать и об электростатическом взаимодействии. Остатки фосфорной кислоты, несущие одинаковый заряд, отталкиваются друг от друга и также вносят определенный вклад в образование пространственной структуры.
Переносчики энергии - АТФ, ГТФ. 
Нуклеозид состоящий из аденина и рибозы, называют аденозином. Если к этому нуклеозиду присоединить остаток фосфорной кислоты в положении 5', то такой мононуклеотид будет называться аденозин-5'-монофосфорная кислота или аденозин-5'-монофосфат (АМФ). Если к тому же атому пентозы присоединить еще один остаток фосфорной кислоты, то соответственно образуется аденозин-5'-дифосфорная кислота, аденозиндифосфат (АДФ) и, наконец, добавление третьего остатка приведет к образованию аденозин-5'-трифосфорной кислоты, аденозинтрифосфата (АТФ). Остатки фосфорной кислоты обозначаются соответственно и . Введение - остатка и - остатка повышает свободную энергию реакции гидролиза таких соединений до 50 kДж/моль. Это количество энергии сохраняется в нуклеозидтрифосфатах и может быть использовано для проведения сопряженных химичесих реакций, потребляющих энергию в клетке. Соединения, изменения свободной энергии реакции гидролиза которых превышают значения 40 kДж/моль, получили название макроэргов. Макроэргические связи в таких соединениях обозначаются значком ~.
|
ATP - наиболее известный и обычно используемый источник энергии для многих процессов. ГТФ используется в белковом синтезе также как и в некоторых других реакциях.
Циклические мононуклеотиды.
|
При образовании еще одной фосфоэфирной связи между гидроксильной группой 3' углеродного атома рибозы и ОН группой фосфорной кислоты обычного аденозинмонофосфата образуется "циклический" мононуклеотид. Циклическим его называют потому что остаток фосфата замыкает кольцо между 3' и 5' атомами одной и той же пентозы. Такие мононуклеотиды обозначают буквой 'ц' (цАМФ, цГМФ). Циклические мононуклеотиды образуются при помощи специальных ферментов "нуклеотидциклаз" из соответствующих нуклеозидтрифосфатов. Эти нуклеотиды выполняют роль внутриклеточных посредников в действии гормонов на клетку.
Никотинамидные и флавиновые нуклеотиды. В процессах окисления в клетке особое место принадлежит переносчикам атомов водорода. Эту роль выполняют нуклеотиды, в состав которых входят азотистые основания - производные пиридина (никотинамид, витамин РР) и изоаллоксазина (флавин, витамин В2). Строение их показано на рисунке.
|
|
Строение НАД и НАДФ
|
В ФМН и ФАД входит витамин В2 и поэтому здесь вместо рибозы находится рибитол (пятиатомный спирт). Все указанные соединения являются коферментами и выполняют роль промежуточных переносчиков водорода в клетках.
3. Метаболизм (синтез и распад) пуринов и пиримидинов. Реакции, ферменты, регуляция.
Синтез пиримидинов см. стр. 474(Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф.),стр. 331 Кухта В.К.
Синтез пуринов см. стр. 473(Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф.),стр. 328 Кухта В.К.
Распад пиримидинов см. стр. 502(Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф.)
Распад пуринов см. стр. 501(Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф.)
Конечный продукт катаболизма пурина у человека - мочевая кислота, которая образуется преимущественно в печени, выделяется почками.
Катаболизм пиримидиновых нуклеотидов
В отличие от пуринов, кольцевая структура пиримидинов разрушается с образованием обычных конечных продуктов катаболизма - -аминокислот, аммиака и двуокиси углерода.
 |
De novo синтез пуриновых нуклеотидов
Пуриновые основания собираются на рибозе при участии нескольких амидотрансферазных и трансформилирующих реакции. Весь процесс можно разделить на 2 этапа:
· а) образование ИМФ - исходного предшественника для синтеза главных пуриновых нуклеотидов
· б) преобразование ИМФ в АМФ и ГМФ.
Для синтеза ИМФ необходимо пять молей ATФ, два моля глутамина (атомы 3,9), один моль глицина (атомы 4,5,7), один моль CO2 (атом 6), один моль аспартата (атом 1) и два моля формиата (атомы 2,8). Формильный фрагмент переносится при участии тетрагидрофолиевой кислоты (ТГФ) в форме N5, N10-метенил-ТГФ и N10-формил-ТГФ
 |
Продукт этой реакции - 5-фосфорибозиламин (ФРА). Аминогруппа глутамина, перенесенная на С1 рибоза-1-фосфата становится атомом N 9 будущего кольца пурина. Это - ключевая и ограничивающая скорость реакция пути синтеза пуриновых нуклеотидов.
Фермент находится под жестким аллостерическим контролем путем торможения по типу обратной связи. И AMФ, и ГМФ, и ИМФ порознь ингибируют активность амидотрансферазы, так же как и пары AMФ + ГМФ или AMФ + ИМФ. Этим обеспечивается тонкий постоянный контроль активности этого фермента.
4. Биосинтез АМФ и ГМФ. Реакции, ферменты, регуляция. См. стр. 473 (Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф.),стр. 328 Кухта В.К.
5. Структура и функции НК. Особенности строения и роль различных видов ДНК (ядерная, митохондриальная, рибосомальная, сателлитная и др.). Особенности структуры ДНК вирусов и фагов. Нуклеиновые кислоты - это полинуклеотиды
Особенности нуклеиновых кислот
Признак | ДНК | РНК |
Месторасположение в клетке | Ядро, небольшое количество в цитозоле | Цитоплазма, небольшое количество в ядре |
Сахар | дезоксирибоза | рибоза |
Главные основания | аденин, гуанин, цитозин, тимин | аденин, гуанин, цитозин, тимин |
Молекулярная масса | >109 | 20000-109 |
Функция | Хранение и передача генетической информации | Синтез белков |
Форма вторичной структуры молекулы | Двойная спираль | Одноцепочечная молекула |
Нуклеиновые кислоты представляют собой полинуклеотиды. Нуклеотиды построены из трех компонентов: пиримидинового или пуринового основания, пентозы и фосфорной кислоты. Нуклеотиды связаны между собой в цепь фосфодиэфирной связью. Она образуется за счет этерификации ОН - группы С-З’ пентозы одного нуклеотида и ОН - группы фосфатного остатка другого нуклеотида. В результате один из концов полинуклеотидной цепи заканчивается свободным фосфатом (Р-конец или 5’-конец). На другом конце цепи имеется неэтерифицированная ОН - группа у С-З’ пентозы (З’ - конец).
Первичная структура
Вторичная структура Молекула ДНК представляет собой правозакрученную спираль, состоящую из двух полинуклеотидных цепей с антипараллельным ходом. Это означает, что 3’-концу одной цепи соответствует 5’-конец другой цепи и наоборот. Остатки оснований направлены внутрь спирали. На один виток спирали приходится 10 пар оснований. Цепи ДНК не идентичны, так как нуклеотидный состав их различен, однако первичная структура одной цепи предопределяет нуклеотидную последовательность другой цепи, то есть они комплементарны друг другу. Это связано с существованием комплементарных пар оснований. Функции нуклеиновых кислот заключаются: 1)в хранении2)реализации 3)и передаче генетической информации.
Ядерная ДНК В препарате хроматина на долю ДНК приходится обычно 30-40%. Эта ДНК представляет собой двухцепочечную спиральную молекулу.ДНК эукариотических хромосом представляет собой линейные молекулы, состоящие из тандемно (друг за другом) расположенных репликонов разного размера. Средний размер репликона около 30 мкм. Тем самым в составе генома человека должно встречаться более 50 000 репликонов, участков ДНК, которые синтезируются как независимые единицы. Эти репликоны имеют начальную и терминальную точки синтеза ДНК.ДНК эукариотических клеток гетерогенна по составу, содержит несколько классов последовательностей нуклеотидов:
Митохондриальная ДНК (мтДНК) — ДНК, локализованная (в отличие от ядерной ДНК) в митохондриях. У большинства многоклеточных организмов митохондриальный геном наследуется по материнской линии и состоит из кольцевой ДНК размером 16600 нуклеотидов. Геном митохондрий человека кодирует следующие белки и РНК:
NADH-дегидрогеназа (комплекс I) |
Кофермент Q - цитохром c редуктаза/Цитохром b (комплекс III) |
цитохром c оксидаза (комплекс IV) |
АТФ-синтетаза |
рРНК |
тРНК |
Многие митохондриальные белки кодируются генами ядерного генома, синтезируются в цитоплазме и затем транспортируются в митохондрии.
Рибосомальная ДНК Фракция умеренно повторяющихся (от 102 до 105 раз) последовательностей принадлежит к большому классу участков ДНК, играющих важную роль в обменных процессах. В эту фракцию входят гены рибосомных ДНК, многократно повторенные участки для синтеза всех тРНК. Сателитная ДНК На долю повторяющихся последовательностей приходится более половины генома человека. Эти последовательности ДНК чаще всего состоят из участков длиной 5-500 пар, расположенных один за другим (тандемно), обычно не транскрибируются и часто располагаются в центромерах хромосом. Такие последовательности обозначаются как спутниковая или сателитная ДНК. Сателлитная ДНК, или фракция ДНК с часто повторяющимися последовательностями, может участвовать в узнавании гомологичных районов хромосом при мейозе. По другим предположениям, эти участки играют роль разделителей (спейсеров) между различными функциональными единицами хромосомной ДНК.
ДНК вирусов и фагов Геном вирусов содержит ДНК либо РНК. ДНК вирусов может быть двуцепочечная (двунитевая) или одноцепочечная (однонитевая), с последующим увеличением до двуцепочечной в клетках хозяина. ДНК имеет линейную форму или кольцевую.Спустя 25 лет после открытия вируса, канадский ученый Феликс Д'Эрел открыл новую группу вирусов, поражающих бактерии. Они так и были названы бактериофагами (или просто фагами). Жизненный цикл бактериофагов.
Жизненный цикл фага составляет 30 минут.
6. Особенности строения и роль различных видов РНК - информационной, рибосомальной, транспортной, вирусной.
В зависимости от локализации и функции различают несколько типов РНК:
· Около 80% всей клеточной РНК находится в цитозоле в составе рибосом. Это рибосомная РНК. Главная функция этой РНК - структурная организация рибосомы, места, где происходит сборка полипептидной цепи.
Еще 2 типа РНК выполняют специальные функции в синтезе белка.
· 15% РНК клетки носит название транспортной РНК и выполняет 2 основные фунции: активирование и перенос аминокислот и адапторную функцию. Последняя позволяет перевести "язык" генетического кода (последовательность нуклеотидов) на "язык" структуры белковой молекулы (аминокислотная последовательность). Каждая аминокислота имеет несколько специфичных для нее транспортных РНК.
|
|
Структура транспортной РНК. Вторичная структура (А) напоминает лист клевера. В полинуклеотидной цепи тРНК часто встречаются необычные нуклеотиды (дигидроуридиловый, псевдоуридиловый, риботимидиловый), отсюда и название некоторых структурных элементов. Пространственная (третичная) структура тРНК напоминает букву Г или латинскую перевернутую букву L. |
· 
Около 5 % всей РНК клетки это информационная РНК. Эта РНК является комплементарной копией генов, кодирующих белки. Она используется как матрица на рибосоме во время сборки полипептидной цепи.
Принцип организации первичной структуры РНК тот же, что и у ДНК. На уровне вторичной структуры молекула РНК формирует однонитиевые молекулы, отдельные участки молекулы, комплементарные друг другу, образуют двунитевые "шпильки", стабилизируемые также как и двойная спираль ДНК. В формировании третичной структуры РНК важную роль играют белки. При этом возникают большие внутриклеточные частицы: рибосомы, информосомы.
Исключение составляет небольшая по размерам транспортная РНК (70-80 мононуклеотидов). Ее стабильность и устойчивость к действию гидролизующих ферментов объясняется высоким содержанием в ней минорных азотистых оснований.
Отдельно следует упомянуть вирусную РНК. У некоторых типов вирусов РНК играет роль хранительницы генетической информации. Проникновение такого вируса в клетки требует предврительного синтеза ДНК по матрице РНК этого вируса. В дальнейшем вирус ведет себя как и вирус, имеющий ДНК.
Виды РНК | Размер в нуклеотидах |
gРНК - геномные РНК | 10000-100000 |
mРНК - информационные (матричные) РНК | 100-100000 |
tPHK - транспортные РНК | 70-90 |
rРНК - рибосомные РНК | несколько дискретных классов от 100 до 500000 |
sРНК - малые РНК | 100-300 |
8. Роль минорных оснований в структуре НК. Коэффициент видовой специфичности.
Минорные основания Кроме основных - мажорных оснований, в НК есть минорные основания. Это метилированные и 5-окси метилированные производные пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов (например, 5-метилцитозин, 6-метиладенин. и т.д.). Они выполняют следующие функции:
· участвуют в механизмах кодирования и передачи наследственной информации,
· механизмах памяти и старения организма;
· принимают участие в регуляции биосинтеза НК и белка.
Метилированные основания выполняют защитную функцию, предохраняя молекулы нуклеиновых кислот от разрушения ферментами. Коэффициент специфичности НК. Коэффициент специфичности НК – это отношение ГЦ пар к парам АТ.
Для ДНК он имеет ярко выраженную видовую специфичность.
Микроорганизмы | От 0,58-0,94 |
Растения | 0,45-2,57 |
Животные и человек | От 0,54-0,81 |
8. Полиморфизм вторичной структуры ДНК - А, В и Z формы. В настоящее время известно, что пространственная структура ДНК обладает полиморфизмом, то есть она способна принимать различные конформации. Рентгеноструктурные исследования кристаллов олигонуклеотидов выявили три основных типа структур - А-, В- и Z- формы. В-ДНК - это стандартная структура, описанная Уотсоном и Криком, в которой плоскости пар оснований перпендикулярны оси двойной спирали. Геометрия её такова, что соседние пары оснований находятся друг от друга на расстоянии 0,34 нм и повернуты на 360 вокруг оси спирали. На один виток спирали приходится, следовательно, 10 пар оснований (3600/360 = 10), и шаг спирали равен 3,4 нм (10 . 0,34 нм). Диаметр двойной спирали равен примерно 20 нм. В А-ДНК плоскости пар оснований повернуты примерно на 200С от нормали к оси правой двойной спирали. На виток спирали здесь приходится 11 пар оснований. А-ДНК образуется при высушивании волокон В-ДНК. В Z-ДНК буква Z указывает на зигзагообразную форму сахарофосфатного остова ДНК в этой форме. Плоскости оснований примерно перпендикулярны оси спирали. В клетке ДНК обычно находится в В-форме, но отдельные её участки вследствие сверхспирализации могут быть в А-, Z- или даже в иной конформации.
| Отличительные особенности форм ДНК:
А ДНК - правозакрученная спираль, короткая и широкая; шаг - 2,3 А; 1 виток - 11 пар оснований. В ДНК - правозакрученная спираль, длиннее и тоньше, шаг - 3,32 А; 1 виток - 10 пар оснований. Z ДНК - левозакрученная спираль, самая длинная и самая тонкая; шаг - 3,8 А; 1 виток - 12 пар оснований |
Ни А-, ни Z- формы не могут существовать в водном растворе без дополнительных воздействий (белки или суперспирализация)
9. Механизмы хранения и передачи наследственной информации - репарация, репликация (строение репликативной вилки), транскрипция, трансляция, характеристика основных ферментов и кофакторов.
Репликация ( «самоудвоение») - перенос генетической информации в пределах одного класса нуклеиновых кислот, т.е. от ДНК к ДНК (происходит полное копирование информации).
Транскрипция («переписывание») – перенос информации между разными классами нуклеиновых кислот: от ДНК к РНК (от РНК к ДНК – у вирусов), т.е. происходит копирование отдельных участков. В ходе транскрипции образуются все виды РНК (м-РНК, т-РНК, р-РНК)
Трансляция – перенос генетической информации от м-РНК к белку, т.е. в пределах разных классов молекул: перевод информации с «языка» нуклеиновых кислот на «язык» полипептидной цепи.
Репарация ДНК – ограниченная репликация, исправление поврежденных участков ДНК ДНКазами, затем ДНК-полимеразы заполняют пробел и концы «сшиваются» ДНК лигазами (см. рисунок).
Репликация ДНК (воспроизведение генотипа) происходит по полуконсервативному механизму, то есть дочерняя цепь ДНК синтезируется на материнской цепи, называемой обычно матрицей. Следовательно, вновь образованные двухспиральные молекулы состоят из одной «новой» и одной «старой» цепи.
1. Все ДНК-полимеразы нуждаются для начала своей работы в предварительно синтезированных олигонуклеотидах – затравках, 3’-ОН группа которых используется для удлинения цепи. (Эти короткие отрезки, обычно, рибонуклеотидов синтезируются специальными РНК-полимеразами. По названию затравки – праймер эти полимеразы получили название праймаз). Длина праймеров составляет 10-12 нуклеотидов. Праймеры синтезируются на обеих цепях.
2. Далее праймер достраивается ДНК-полимеразой – III. Т.к. все ДНК-полимеразы формируют дочерние цепи в одном направлении 5’ à 3’, то одна цепь синтезируетсянепрерывно (лидирующая, ведущая цепь), а другая - прерывисто (отстающая). ДНК-полимераза формирует димер, связанный с другими необходимыми в репликативной вилке белками (реплисома). Одна из цепей матричной ДНК (отстающая), временно образует петли вокруг реплисомы так, что димер ДНК-полимеразы получает возможность перемещаться по обеим цепям в одном 3' à 5 ' направлении одновременно. Короткие (до 1000 пар нуклеотидов) отрезки ДНК, образующиеся на отстающей цепи, получили название фрагментов Оказаки по имени Ф. Оказаки, впервые (1968) указавшего на прерывистый характер синтеза ДНК. 3.Так как репликативная вилка довольно быстро (1000 нулеотидов в сек) продвигается по матрице, вновь синтезируемые дочерние цепи и родительские цепи матрицы сразу формируют двойные спирали ДНК. Предполагается, что только маленький отрезок матричной двойной спирали находится в одноцепочечном состоянии в данный отрезок времени.
3. Праймеры ведущей и отстающей цепей (10-12 пар нуклеотидов) удаляются ДНК полимеразой I, обладающей репарирующей функцией с одновременной заменой рибонуклеотидов дезоксирибонуклеотидами.
4. Промежутки, которые возникают между 3 '-ОН и 5 '- фосфатом, «сшиваются» лигазами ДНК, завершая тем самым процесс репликации.
Основные ферменты и белки, участвующие в процессе репликации | |
Белок | Функция |
Топоизомераза I | Ослабляет суперспирализацию ДНК |
Белок Rep Хеликаза | раскручивает ДНК в репликационной вилке |
SSB | Связывается с одноцепочечной ДНК в репликативной в илке для предотвращения образования двойной спирали |
Праймаза (РНК-полимераза) | Синтезирует РНК-затравку |
ДНК-полимераза III | Полимераза, катализирующая репликацию |
ДНК-полимеразаI | Удаляет РНК-затравку, заполняя пробел |
ДНК лигаза | Катализирует образование 3 - 5 -фосфодиэфирной связи, с оединяя фрагменты Оказаки |
Топоизомераза II | Разделяет ДНК после репликации |
10. Этапы биосинтеза ДНК - инициация, элонгация, терминация, роль ДНК-полимераз.
1-й этап - инициация:
· Топоизомераза I - ослабляет суперспирализацию ДНК
· Белок Rep Хеликаза - раскручивает ДНК в репликационной вилке
· SSB - связывается с одноцепочечной ДНК в репликативной в илке для предотвращения образования двойной спирали
· Праймаза (РНК-полимераза) - синтезирует РНК-затравку
2-й этап – элонгация:
· ДНК-полимераза III - п олимераза, катализирующая репликацию
· ДНК-полимераза I - удаляет РНК-затравку, заполняя пробел
· ДНК лигаза - к атализирует образование 3 - 5 -фосфодиэфирной связи, с оединяя фрагменты Оказаки
3-й этап – терминация: когда исчерпана ДНК-матрица и репликация прекращается
· Топоизомераза II - разделяет ДНК после репликации
11. Биосинтез РНК, его регуляция, роль РНК-полимераз. Процессинг РНК, его биологическое значение. Альтернативный сплайсинг. Регуляция экспрессии генов иммуноглобулинов. Молекула ДНК, хранящая генетическую информацию, непосредственного участия в синтезе белка не принимает, но с нее по мере необходимости считывается информация, то есть специфические участки ДНК копируются (транскрибируются) в виде РНК с последующей трансляцией в полипептидную цепь белка. Транскрипция, как и репликация ДНК, - эндоэргический процесс, сопряженный с использованием нуклеозидтрифосфатов в качестве субстратов и источников энергии. ТРАНСКРИПЦИЯ - это синтез всех видов РНК по матрице ДНК, осуществляемый ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой. Принципы транскрипции:
1. Комплементарность.
2. А нтипараллельность.
3. Униполярность.
4. Беззатравочность.
5. Асимметричность
РНК синтезируется комплементарно и антипараллельно транскрибируемой цепи ДНК. Рост цепи РНК идет только в направлении 5‘-3'. Для начала синтеза РНК фермент не нуждается в поли- или олигонуклеотидной затравке. Транскрипция осуществляется ДНК-зависимыми РНК-полимеразами. Эукариотические клетки обычно содержат три различных типа РНК-полимераз:
· РНК-полимераза-1 катализирует синтез РНК с коэффициентом седиментации 45S, кото-рая является предшественником трех различных рибосомных РНК (28S рРНК, 18S рРНК, 5,8S рРНК).
· РНК-полимераза-2 синтезирует гяРНК (гетероядерные), которые служат предшественниками мРНК (матричной) и мяРНК (малоядерной).
· РНК-полимераза-3 транскрибирует гены, кодирующие тРНК, 5S РНК и некоторые мяРНК
Субстратами для РНК-полимераз служат рибонуклеозид-трифосфаты (активированные нуклеотиды). Весь процесс транскрипции осуществляется за счет энергии макроэргических связей актвированных нуклеотидов. Механизм синтеза РНК по многим свойствам напоминает синтез ДНК. Для работы РНК-полимеразы необходимы:
Схема синтеза РНК может выглядеть следующим образом:
аАТФ + bГТФ + cЦТФ + dУТФ à РНК + (a+b+c+d) пирофосфат.
Синтез молекулы РНК идет в направлении 5’à 3’ с перемещением фермента по матрице в направлении 3’à 5’. Механизм соединения нуклеотидов под влиянием РНК-полимеразы подобен синтезу ДНК и заключается в нуклеофильной атаке внутреннего фосфата очередного рНТФ 3’-ОН группой на конце растущей цепи. Необратимость реакции связана с гидролизом пирофосфата, высвобождаемого в реакции синтеза РНК.
Однако существует и ряд особенностей в синтезе РНК. РНК-полимераза не нуждается в затравочном олигонуклеотиде (праймере), включает в синтезируемую цепь РНК рибонуклеотиды, вместо дезоксирибонуклеотидов, перемещается значительно медленнее по матрице (приблизительно 50-100 оснований/сек для РНК против около 1000 оснований/сек для ДНК). Точек инициации транскрипция намного больше чем у репликации. Число молекул РНК-полимераз в клетке намного больше, чем ДНК-полимераз. Наконец, точность полимеризации РНК - намного ниже, чем ДНК. Это допустимо, так как дефектные молекулы РНК могут быть просто удалены и взамен синтезированы новые «правильные» молекулы. Транскриптон (оперон) - единица транскрипции.
Синтез молекул РНК начинается в определенных местах ДНК, называемых промоторами и завершается в терминаторах. Участок ДНК, ограниченный промотором и терминатором, представляет собой единицу транскрипции - транскриптон (оперон у прокариот). В пределах каждого транскриптона копируется только одна из двух нитей ДНК, которая называется значащей или матричной. Во всех транскриптонах, считываемых в одном направлении, значащей является одна нить ДНК, в транскриптонах, считываемых в противоположном направлении, значащей является другая нить ДНК.
Разбиение ДНК на множество транскриптонов обеспечивает возможность независимого считывания разных генов, их индивидуального включения и выключения.
2 коротких консервативных участка последовательностей, расположенных на расстоянии 35 нуклеотидных пар в сторону 5’ конца от начала транскрипции (область -30 на рис.) и на расстоянии 10 нуклеотидов в ту же сторону (область -10). АТ богатый участок области -10 получил название ТАТА бокса или Прибнов бокса. Считается, что эта последовательность может быть легко денатурирована РНК-полимеразой и является удобным местом начала транскрипции.
Первый шаг в транскрипции - связывание РНК-полимеразысДНК, с последующим перемещением к инициирующему участку ДНК. Поиск промотора РНК-полимеразой начинается (на рисунке этап 1) с неспецифического связывания фермента с ДНК, и последующего перемещения по ДНК, без диссоциации до достижения последовательности промотора, с которым фермент связывается со значительно более высоким сродством. Этому способствует фактор, потому что базовый фермент имеет одинаковое сродство к любой последовательности ДНК.
Первоначальное взаимодействие РНК-полимеразы и промотора образует закрытый комплекс, цепь ДНК в этом комплексе не раскручена.
РНК-полимераза раскручивает несколько пар оснований ДНК, от приблизительно -10 до -1, образуя открытый промоторный комплекс, названный так потому, что в нем цепи ДНК открыты, или раскручены, фермент готов начать синтез цепи РНК.
После синтеза первых 10 нуклеотидов, субъединица отделяется от комплекса транскрипции, и дальнейший процесс транскрипции катализируется базовой (коровой) полимеразой (см. рисунок, шаги 5 и 6). Хотя и субъединица покинула фермент, элонгирующий комплекс является довольно устойчивым. Элонгация, таким образом, продолжается до заключительного этапа.
Во время элонгации (см. рисунок выше, шаги 5 и 6), коровый феремент перемещается по двуцепочечной матрице ДНК, одновременно раскручивает ДНК, копируя одноцепочечную матрицу ДНК с образованием транскрипта (вновь синтезируемая РНК). Фермент скручивает матрицу позади 3 ' конца растущей цепи РНК.
В областях окончания транскрипции происходит диссоциации РНК-полимеразы и ДНК.
Процессинг РНК
Кэпирование и полиаденилирование иРНК называется процессингом ( посттранскрип-ционной модификацией).
Кэпирование:
К 5 ' концу всех эукариотических иРНК присоединяется во время процессинга остаток 7-метилгуанозина с образованием уникальной 5 'à 5 ' фосфодиэфирной связи. Этот дополнительный нуклеотид получил название кэп или колпачек.
Функции кэпа:
1. он защищает РНК от экзонуклеаз
2. помогает связыванию молекулы мРНК с рибосомой.
Полиаденилирование:
3'-конец также модифицируется сразу после завершения транскрипции. Специальный фермент – полиаденилат-полимераза присоединяет к 3'-концу каждого РНК-транскрипта от 20 до 250 остатков адениловой кислоты (поли(А)). Полиаденилатполимераза узнает специфическую последовательность AAУAAA, отщепляет от первичного транскрипта небольшой фрагмент в 11-30 нуклеотидов и затем присоединяет поли(А) последовательность. Принято считать, что такой "хвост" способствует последующему процессингу РНК и экспорту зрелых молекул мРНК из ядра.
По мере участия иРНК в процессах трансляции, длина полиА фрагмента уменьшается. Критическим для стабильности считается 30 адениловых нуклеотидов.
Вся совокупность ядерных транскриптов РНК-полимеразы II известна как гетерогенная ядерная РНК (гяРНК).
Все 3 класса РНК транскрибируются с генов, которые содержат интроны (неинформативные участки) и экзоны (участки ДНК, несущие информацию). Последовательности, кодируемые интронами ДНК, должны быть удалены из первичного транскрипта до того, как РНК станет биологически активной. Процесс удаления копий интронных последовательностей получил название сплайсинга РНК.
Сплайсинг РНК катализируется комплексами белков с РНК, известными как «малые ядерные рибонуклеопротеидные частицы» (мяРНП, англ. small nuclear ribonucleic particles, snRNP).Такие каталитические РНК носят название рибозимов.
Функции интронов:
· защищают функционально активную часть генома клетки от повреждающего действия химических или физических (лучевых) факторов
· позволяет при помощи так называемого альтернативного сплайсинга увеличить генетическое разнообразие генома без увеличения числа генов.
Альтернативный сплайсинг:
В результате изменения распределение экзонов одного транскрипта во время сплайсинга возникают различные РНК и следовательно различные белки.
Известны уже более 40 генов, транскрипты которых подвергаются альтернативному сплайсингу. Например, транскрипт гена кальцитонина, в результате альтернативного сплайсинга дает РНК, которая служит матрицей для синтеза кальцитонина (в щитовидной железе) или специфического белка, отвечающего за вкусовое восприятие (в мозге). Еще более сложному альтернативному сплайсингу подвергается транскрипт гена -тропомиозина. Были идентифицированы по крайней мере 8 различных тропомиозиновых иРНК, полученных из одного транскрипта (см рис)
Регуляция экспрессии генов иммуноглобулинов См. Белки-5, вопрос №1.5
12. Патология обмена азотистых оснований и НК. Нарушения процессов репарации ДНК и их последствия. Причины возникновения и основные клинические проявления оротацидурии, ксантинурии, синдрома Леша-Нихана и подагры. Очень высокая концентрация мочевой кислоты (образуются при распаде пуринов) в крови ведет к довольно распространенной группе болезней, называемых подагрой. Частота подагры зависит от страны и составляет около 3/1000. Подагра - группа патологических состояний, связанных с заметно повышенными уровнями урата (мочевой кислоты) в крови (в норме 3-7 мг/100 мл). О величине растворимого уратного пула можно судить по содержанию урата натрия в сыворотке крови. Когда этот показатель превышает растворимость урата натрия в сыворотке (гиперурикемия), образуются кристаллы. Содержание урата натрия в сыворотке крови при 37°С составляет 2—6 мг%. Кристаллы могут отлагаться в мягких тканях, особенно в суставах или вокруг них. Эти отложения уратов называются «узлами». Накопление кристаллов урата натрия в тканях, их фагоцитоз полиморфно-ядерными лейкоцитами в суставной щели могут вызывать резкую воспалительную реакцию— острый подагрический артрит. Хронический подагрический артрит приводит к деформации сустава.
Ниже приводится таблица, указывающая на возможные причины нарушения обмена пуриновых нуклеотидов
Нарушения обмена пуриновых нуклеотидов. | |||
Болезнь | Дефект | Природа дефекта | коментарий |
Подагра | ФРПФ синтетаза | Увеличение активности фермента из-за повышенный Vmax | Повышенное образование Гиперурикемия |
Подагра | ФРПФ синтетаза | Фермент устойчив к торможению продуктами | Гиперурикемия |
Подагра | ФРПФ синтетаза | Фермент имеет высокое сродство к рибоза-5-фосфату (снижение Km) | Гиперурикемия |
Подагра | ФРПФ синтетаза | Потеря способности к торможению по типу обратной связи | Гиперурикемия |
Подагра | ГГФРТa | Частично дефектный фермент | Гиперурикемия |
Синдром Леша-Нихана | ГГФРТ | Отсутствие фермента | См. выше |
ТКИД | АДАb | Отсутствие фермента | См. выше |
Иммунодефицит | ПНФc | Отсутствие фермента | См. выше |
Почечно каменная болезнь | АФРТd | Отсутствие фермента | 2,8-дигидрокси- адениловый |
Ксантинурия | Ксантиноксидаза | Отсутствие фермента | Гипоурикемия и ксантиновый почечный литиаз |
Боллезнь Гирке | Глюкозо-6-фосфатаза | Отсутствие фермента | См. выше |
аГипоксантин-гуанин фосфорибозилтрансфераза; bаденозин дезаминаза; ТКИД- тяжелый комбинированный иммунодефицит |
Причинамиповышения могут быть нарушения функции трех основных ферментов обмена пуринов (см. рисунок).
ФРПФ –синтетазы: дефекты в структуре этого фермента могут приводить к потере его чувствительности к торможению по типу обратной связи пуриновыми нуклеотидами. Тем самым, увеличивается образование пуриновых нуклеотидов и как следствие - чрезмерный синтез мочевой кислоты.
Синдром Леша—Найхана (полное отсутствие ГГФРТ) наследуется как сцепленный с X-хромосомой рецессивный признак. Болезнь характеризуется корковым параличом, сопровождающимся хореоатетозом, судоргами, стремлением к члено-вредительству и тяжелой гиперурикемией. В моче наблюдается образование камней мочевой кислоты. Матери больных детей гетерозиготны в отношении ГГФРТазной недостаточности, у них часто обнаруживается гиперурикемия, но без неврологических симптомов. Частичная недостаточность ГГФРТазы, вызванная мутациями соответствующего гена, встречается и у мужчин. Для таких больных характерна тажелая гиперурикемия, не сопровождающаяся существенными неврологическимими нарушениями
Недостаточность ксантиноксидазы, вызванная либо генетическим дефектом, либо тяжелым поражением печени, приводит к гипоурикемии и увеличение экскреции оксипуринов — гипоксантина и ксантина. При тяжелой недостаточности ксантиноксидазы у пациентов часто развивается ксантинурия и образование ксантиновых камней.
Нарушение обмена пиримидиновых нуклеотидов также приводит к болезням.
Заболевания, связанные с нарушением обмена пиримидиновых нуклеотидов | ||
Болезнь | Дефектный фермент | Коментарий |
Оротовая ацидурия, Тип I | оротатфосфорибозилтрансфераза и OMФ декарбоксилаза | Кристаллы оротовой кислоты в моче, отставание в развитии, Мегалобластическая анемия. |
Оротовая ацидурия, Тип II | ОМФ декарбоксилаза | Мегалобластическая анемия |
Оротовая ацидурия,(умеренная, без гематологических осложнений) | Недостаточность орнитин транскарбомоилазы из цикла образования мочевины
| Повышенное образование карбамоилфосфата в митохондриях увеличивает биосинтез пиримидинов; печеночная энцефалопатия |
- амино-изобутиратацидурия | Трансаминаза, затрагивает цикл мочевинообразования | Мягкое течение, распространено на востоке |
Лекарственная оротат ацидурия | ОМФ декарбоксилаза | аллопуринолом и 6-азауридином вызывают оротат ацидурию без гематологического компонента; их продукты их распада тормозят OMФ декарбоксилазу |
Конечными продуктами метаболизма пиримидинов являются хорошо растворимые в воде соединения, такие, как СО2, аммиак, -аланин и -изопропионат. Поэтому клинические симптомы при их усиленном образовании проявляются слабо.
Дата добавления: 2015-08-29; просмотров: 111 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
| | | Министерство здравоохранения Республики Беларусь |
А
Б