Курс лекций по дисциплине Биохимия для специальности Лечебное

Курс лекций по дисциплине «Биохимия» для специальности «Лечебное дело» НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ (ЛЕКЦИЯ № 4) Курс лекций читает д. б. н. , профессор Кершенгольц Борис Моисеевич

ВОПРОСЫ: 1. Строение, классификация и функции нуклеотидов (из курса биоорганической химии). 2. Типы азотистых оснований и пентоз, входящих в состав нуклеотидов. 3. Биосинтез пуриновых нуклеотидов, происхождение атомов пуринового кольца. Начальные стадии биосинтеза (от рибозо-5 -фосфата до 5 -фосфорибозиламина), источники рибозы (дезоксирибозы), разветвление процесса, начиная с инозинмонофосфата. Регуляция биосинтеза по типу "обратной связи", распад пуриновых нуклеотидов (общее представление). 4. Концентрация мочевой кислоты в крови. Гиперурикемия и подагра. 5. Биосинтез и катаболизм пиримидиновых нуклеотидов. Регуляция этих процессов. 6. Первичная структура нуклеиновых кислот. Фосфодиэфирная связь. Полярность нуклеотидной цепи. 7. Основные классы нуклеиновых кислот - ДНК и РНК. Отличия ДНК и РНК по химическому составу, функциям и локализации внутри клеток. ДНК как материальный носитель генетической информации. Видовая специфичность первичной структуры ДНК. Типы и функции РНК (м. РНК, р. РНК, т. РНК и другие). 8. Вторичная структура ДНК, правила Чаргаффа. Модель двойной спирали ДНК. Принцип комплементарности. Водородные связи. Вторичная структура РНК различных типов. Шпильки и одноцепочечные петли. 9. Метод молекулярной гибридизации и его использование при определении генетической близости видов, организмов, в установлении отцовства.

10. Высшие уровни структурной организации ядерной ДНК: нуклеосомы, нуклеосомные суперспирали, хромосомы, хроматин. 11. Кольцевая структура ДНК у прокариот. Плазмиды как генетические элементы, не сцепленные с главной хромосомой. Природа лекарственной устойчивости микроорганизмов как пример механизма популяционного хранения генетической информации в соответствии с принципом максимальной экономичности и использования ее только при необходимости адаптации к действию необычного разд-ражителя внешней среды. Механизмы приобретения устойчивости к антибиотикам у бактерий (мутации хромосомных генов; приобретение плазмид). Эписомы и нетрансмиссибельные плазмиды. Плазмиды и фаг лямбда как векторы для клонирования ДНК в бактериях. 12. Строение нуклеиновых кислот и систематика живых организмов. Экзонинтронное строение ДНК и его биологическое значение, особенно для кодирования антител в В-лимфоцитах. 13. Матричные биосинтезы, основные принципы этих процессов. Принцип комплементарности (примеры системы фермент-субстратконформация нуклеиновых кислот). 14. Механизм репликации. 15. Механизм транскрипции (включая процессинг, его биологическое значение). Ингибиторы матричных биосинтезов. Их значение в терапии инфекционных и опухолевых заболеваний. Механизм действия противовирусных лекарственных средств, ингибирующих матричные биосинтезы.

16. Обратная транскрипция; ретровирусы (на примере вируса СПИДа) и роль обратной транскрипции в их жизнедеятельности. Обратная транскрипция и генная инженерия. 17. Повреждения ДНК. Механизмы и классификация молекулярных мутаций. Мутации как первичный источник генетической изменчивости и как основа наследственных заболеваний. Мутагены. 18. Типы и механизмы репараций. Репарация повреждений и ошибок репликации ДНК как основной процесс предотвращения широкого распространения наследственных и онкологических заболеваний, болезней экологического характера 19. Трансляция (механизм биосинтеза белка), генетический код

1. Строение, классификация и функции нуклеотидов

2. Типы азотистых оснований и пентоз, входящих в состав нуклеотидов.

3. Биосинтез пуриновых нуклеотидов, происхождение атомов пуринового кольца. Начальные стадии биосинтеза (от рибозо-5 -фосфата до 5 фосфорибозиламина), источники рибозы (дезоксирибозы), разветвление процесса, начиная с инозинмонофосфата. Регуляция биосинтеза по типу "обратной связи", распад пуриновых нуклеотидов (общее представление). Первой стадией ЛЮБОГО биохимического процесса является АКТИВАЦИЯ ИСХОДНОГО СОЕДИНЕНИЯ

4. Концентрация мочевой кислоты в крови. Гиперурикемия и подагра.

5. Биосинтез и катаболизм пиримидиновых нуклеотидов. Регуляция этих процессов.

6. Первичная структура нуклеиновых кислот. Фосфодиэфирная связь. Полярность нуклеотидной цепи. Первичная структура нуклеиновых кислот – ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ мононуклеотидных остатков, соединенных фосфодиэфирными связями.

7. Основные классы нуклеиновых кислот - ДНК и РНК. Отличия ДНК и РНК по химическому составу, функциям и локализации внутри клеток. ДНК как материальный носитель генетической информации. Видовая специфичность первичной структуры ДНК. Типы и функции РНК (м. РНК, р. РНК, т. РНК и другие).

8. Вторичная структура ДНК, правила Чаргаффа. Модель двойной спирали ДНК. Принцип комплементарности. Водородные связи. Вторичная структура РНК различных типов. Шпильки и одноцепочечные петли.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты, выделенные из различных организмов, отличаются по соотношению входящих в их состав азотистых оснований, т. е. по нуклеотидному составу, который у всех ДНК подчиняется правилу Чаргаффа: 1) число молекул аденина в молекуле Н. к. равно числу молекул тимина, т. е. А = Т; 2) число молекул гуанина равно числу молекул цитозина, т. е. Г = Ц; 3) число молекул пуриновых оснований равно числу молекул пиримидиновых оснований; 4) число 6 -аминогрупп равно числу 6 -кетогрупп, что означает, что сумма аденин + цитозин равна сумме гуанин + тимин, т. е. А + Ц = Г + Т. 5) Правило Чаргаффа справедливо и для так называемых минорных азотистых оснований (метилированных или других производных пуриновых и пиримидиновых оснований). Таким образом, нуклеотидный состав каждой ДНК характеризуется постоянной величиной — молярным соотношением (фактором специфичности) или процентным содержанием Г—Ц-пар, т. е. Величина последнего показателя практически одинакова для организмов одного класса. У высших растений и позвоночных животных она составляет 0, 55— 0, 93.

Цепочки в двойной спирали ДНК антипараллельны

9. Метод молекулярной гибридизации и его использование при определении генетической близости видов, организмов, в установлении отцовства.

10. Высшие уровни структурной организации ядерной ДНК: нуклеосомы, нуклеосомные суперспирали, хромосомы, хроматин.

11. Кольцевая структура ДНК у прокариот. Плазмиды как генетические элементы, не сцепленные с главной хромосомой. Природа лекарственной устойчивости микроорганизмов как пример механизма популяционного хранения генетической информации в соответствии с принципом максимальной экономичности и использования ее только при необходимости адаптации к действию необычного раздражителя внешней среды. Механизмы приобретения устойчивости к антибиотикам у бактерий (мутации хромосомных генов; приобретение плазмид). Эписомы и нетрансмиссибельные плазмиды. Плазмиды и фаг лямбда как векторы для клонирования ДНК в бактериях.

Лекарственная устойчивость микроорганизмов — способность микроорганизмов сохранять жизнедеятельность, включая размножение, несмотря на контакт с химиопрепаратами. Лекарственная устойчивость (резистентность) микроорганизмов отличается от их толерантности, при которой микробные клетки не гибнут в присутствии химиопрепаратов из-за уменьшенного количества аутолитических ферментов, но и не размножаются. Л. у. м. — широко распространенное явление, препятствующее лечению инфекционных болезней. Наиболее изучена лекарственная устойчивость бактерий. Различают лекарственную устойчивость, нативно присущую микроорганизмам и возникшую в результате мутаций или приобретения чужеродных генов. Природная Л. у. м. обусловлена отсутствием в микробной клетке мишени для химиопрепаратов или непроницаемостью для них оболочки микробной клетки. Она свойственна, как правило, всем представителям данного вида (иногда рода) бактерий в отношении конкретной группы химиопрепаратов. Примерами могут служить устойчивость к пенициллину микоплазм из-за отсутствия у них клеточной стенки и ферментов ее синтеза — мишеней для пенициллина, а также устойчивость синегнойной палочки к эритромицину в связи с неспособностью последнего проникать через ее оболочку к своим мишеням-рибосомам. Лекарственная устойчивость микроорганизмов как результат мутаций или приобретения чужеродных генов представителями видов, исходно чувствительных к конкретным химиопрепаратам, получила распространение вследствие создаваемого широко применяемыми препаратами селективного фона для выживания именно устойчивых форм бактерий. Так, частота обнаружения пенициллиноустойчивых стафилококков в некоторых регионах достигает 80— 90%, стрептомициноустойчивых — 60— 70%, шигелл, устойчивых к ампициллину, — 90%, устойчивых к тетрациклину и стрептомицину — более 50% и т. д. В зависимости от локализации в хромосоме или плазмиде генов, обусловливающих устойчивость, принято различать Л. у. м хромосомного и плазмидного происхождения.

Однако плазмидные гены могут быть включены в хромосому, хромосомные гены — обнаруживаться в репликоне плазмиды. Это связано с наличием транспозонов — генетических элементов, способных к переходу в клетке из одного репликона в другой.

12. Экзонинтронное строение ДНК и его биологическое значение, особенно для кодирования антител в В-лимфоцитах.

13. Матричные биосинтезы, основные процессов. Принцип комплементарности принципы этих

14. Механизм репликации.

14. Механизм транскрипции, оперон

15. Механизм транскрипции (включая процессинг, его биологическое значение). Ингибиторы матричных биосинтезов. Их значение в терапии инфекционных и опухолевых заболеваний. Механизм действия противовирусных лекарственных средств, ингибирующих матричные биосинтезы

16. Обратная транскрипция; ретровирусы (на примере вируса СПИДа) и роль обратной транскрипции в их жизнедеятельности. Обратная транскрипция и генная инженерия.

18. Повреждения ДНК. Механизмы и классификация молекулярных мутаций. Мутации как первичный источник генетической изменчивости и как основа наследственных заболеваний. Мутагены. Классификации мутаций Существует несколько классификаций мутаций по различным критериям. Мёллер предложил делить мутации по характеру изменения функционирования гена нагипоморфные (измененные аллели действуют в том же направлении, что и аллели дикого типа; синтезируется лишь меньше белкового продукта), аморфные (мутация выглядит, как полная потеря функции гена, например, мутация white у Drosophila), антиморфные (мутантный признак изменяется, например, окраска зерна кукурузы меняется с пурпурной на бурую) и неоморфные. В современной учебной литературе используется и более формальная классификация, основанная на характере изменения структуры отдельных генов, хромосом и генома в целом. В рамках этой классификации различают следующие виды мутаций: геномные; хромосомные; генные. Геномные: — полиплоидизация (образование организмов или клеток, геном которых представлен более чем двумя (3 n, 4 n, 6 n и т. д. ) наборами хромосом) и анеуплоидия(гетероплоидия) — изменение числа хромосом, не кратное гаплоидному набору (см. Инге -Вечтомов, 1989). В зависимости от происхождения хромосомных наборов среди полиплоидов различают аллополиплоидов, у которых имеются наборы хромосом, полученные при гибридизации от разных видов, и аутополиплоидов, у которых происходит увеличение числа наборов хромосом собственного генома, кратное n. При хромосомных мутациях происходят крупные перестройки структуры отдельных хромосом. В этом случае наблюдаются потеря (делеция) или удвоение части (дупликация) генетического материала одной или нескольких хромосом, изменение ориентации сегментов хромосом в отдельных хромосомах ( инверсия), а также перенос части генетического материала с одной хромосомы на другую (транслокация) (крайний случай — объединение целых хромосом, т. н. Робертсоновская транслокация, которая является переходным вариантом от хромосомной мутации к геномной). На генном уровне изменения первичной структуры ДНК генов под действием мутаций менее значительны, чем при хромосомных мутациях, однако генные мутации встречаются более часто. В результате генных мутаций происходят замены, делеции и вставки одного или нескольких нуклеотидов, транслокации, дупликации и инверсии различных частей гена. В том случае, когда под действием мутации изменяется лишь один нуклеотид, говорят о точечных мутациях. Точечная мутация, или единственная замена оснований, — тип мутации в ДНК или РНК, для которой характерна замена одного азотистого основания другим. Термин также применяется и в отношении парных замен нуклеотидов. Термин точечная мутация включает так же инсерции и делеции одного или нескольких нуклеотидов. Выделяют несколько типов точечных мутаций.

Точечные мутации замены оснований. Поскольку в состав ДНК входят азотистые основания только двух типов — пурины и пиримидины, все точечные мутации с заменой оснований разделяют на два класса: транзиции и трансверсии [10][11]. Транзиция — это мутация замены оснований, когда одно пуриновое основание замещается на другое пуриновое основание (аденин на гуанин или наоборот), либо пиримидиновое основание на другое пиримидиновое основание (тимин на цитозин или наоборот. Трансверсия — это мутация замены оснований, когда одно пуриновое основание замещается на пиримидиновое основание или наоборот). Транзиции происходят чаще, чем трансверсии. Точечные мутации сдвига рамки чтения. Они делятся на делеции и инсерции [12][13]. Делеции — это мутация сдвига рамки чтения, когда в молекуле ДНК выпадает один или несколько нуклеотидов. Инсерция — это мутация сдвига рамки чтения, когда в молекулу ДНК встраивается один или несколько нуклеотидов. Встречаются также сложные мутации. Это такие изменения ДНК, когда один её участок заменяется участком другой длины и другого нуклеотидного состава [14]. Точечные мутации могут появляться напротив таких повреждений молекулы ДНК, которые способны останавливать синтез ДНК. Например, напротив циклобутановых пиримидиновых димеров. Такие мутации называются мишенными мутациями (от слова «мишень» )[4]. Циклобутановые пиримидиновые димеры вызывают как мишенные мутации замены оснований [6 9], так и мишенные мутации сдвига рамки[15]. Иногда точечные мутации образуются на, так называемых, неповрежденных участках ДНК, часто в небольшой окрестности от фотодимеров. Такие мутации называются немишенными мутациями замены оснований или немишенными мутациями сдвига рамки[16]. Точечные мутации образуются не всегда сразу же после воздействия мутагена. Иногда они появляются после десятков циклов репликаций. Это явление носит название задерживающихся мутаций [17]. При нестабильности генома, главной причине образования злокачественных опухолей, резко возрастает количество немишенных и задерживающихся мутаций [18]. Возможны четыре генетических последствия точковых мутаций: 1) сохранение смысла кодона из-за вырожденности генетического кода (синонимическая замена нуклеотида), 2) изменение смысла кодона, приводящее к замене аминокислоты в соответствующем месте полипептидной цепи (миссенс-мутация), 3) образование бессмысленного кодона с преждевременной терминацией (нонсенс-мутация). В генетическом коде имеются три бессмысленных кодона: амбер — UAG, охр — UAA и опал — UGA (в соответствии с этим получают название и мутации, приводящие к образованию бессмысленных триплетов — например амбер-мутация), 4) обратная замена (стоп-кодона на смысловой кодон). По влиянию на экспрессию генов мутации разделяют на две категории: мутации типа замен пар оснований и типа сдвига рамки считывания (frameshift). Последние представляют собой делеции или вставки нуклеотидов, число которых не кратно трём, что связано с триплетностью генетического кода. Первичную мутацию иногда называют прямой мутацией, а мутацию, восстанавливающую исходную структуру гена, — обратной мутацией, или реверсией. Возврат к исходному фенотипу у мутантного организма вследствие восстановления функции мутантного гена нередко происходит не за счет истинной реверсии, а вследствие мутации в другой части того же самого гена или даже другого неаллельного гена. В этом случае возвратную мутацию называют супрессорной. Генетические механизмы, благодаря которым происходит супрессия мутантного фенотипа, весьма разнообразны.

18. Типы и механизмы репараций. Репарация повреждений и ошибок репликации ДНК как основной процесс предотвращения широкого распространения наследственных и онкологических заболеваний, болезней экологического характера

19. Трансляция (механизм биосинтеза белка), генетический код

Благодарю за внимание ! Лекция окончена