НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ 1 А М Голенда Лекция

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ 1 А. М. Голенда Лекция

ПЛАН ЛЕКЦИИ: Введение 1. Принципы построения и функционирования полинуклеотидов. 7 2. Общие закономерности биосинтеза 12 нуклеиновых кислот. 16 3. Роль ДНК. 4. ДНК: структурная организация. 17 5. Передача информации по наследству. 29 6. Теломеры. 47 2

Нуклеиновые кислоты были открыты в 1869 году швейцарским врачом Ф. Мишером. Название их несёт две характеристики: принадлежность к ядру (nukleus) и кислый характер. Однако основные исследования нуклеиновых кислот были проведены в 20 -м веке и интенсивно продолжаются в 21 -ом. 3

• Известно, что есть два основных типа нуклеиновых кислот: • ДНК и РНК, отличающихся по строению и биологической роли. 4

Нуклеиновые кислоты являются природными полимерами, состоящими из нуклеотидов, то есть полинуклеотиды следующего состава: 5

Самый знакомый нуклеотид Обратите внимание: Первый компонент сложного соединения (аденин) нумеруется просто арабскими цифрами, а следующий (дезоксирибоза) –со штрихом: 1/, 2/, 3/ и так далее… 6

2 ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ПОЛИНУКЛЕОТИДОВ • Нуклеотиды соединены между собой фосфодиэфирными связями, то есть 3'-углеродный атом пентозы одного нуклеотида связан с 5'-углеродным атомом пентозы другого 7 через фосфорную кислоту.

Продолжение… В линейном полинуклеотиде отличия имеются только у крайних нуклеотидов. Нуклеотид, имеющий у пентозы в 3'-положении свободную НО -группу, обозначается как 3' конец; а тот, у которого она занята, - 5'-конец (его фосфат, в отличие от других, связан не ди-, а монофосфоэфирной связью). 8

Для понимания строения и функционирования нуклеиновых кислот следует вспомнить принцип комплементарности. Итак, комплементарность - это стерическое соответствие и способность к обратимому взаимодействию веществ (знакомились раньше: фермент-субстрат, гормонрецептор, антиген-антитело…). 9

В нуклеиновых кислотах принцип комплементарности обеспечивается возможностью взаимодействия отдельных азотистых оснований с помощью водородных связей. Комплементарная пара включает пуриновое и пиримидиновое основания, при этом аденин образует с тимином (или урацилом) 2 водородные связи, а гуанин с цитозином - соответственно 3. 10

КОМПЛЕМЕНТАРНЫЕ ПАРЫ АЗОТИСТЫХ ОСНОВАНИЙ 11

2 Общие закономерности биосинтеза нуклеиновых кислот 1. Образование нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) называют «матричными биосинтезами» . Последовательность нуклеотидов в них предопределена составом полинуклеотида -матрицы в соответствии с принципом комплементарности: А-Т(У) и Г-Ц. 12

Продолжение… 2. Процесс биосинтеза требует наличия специфических ферментов и белковых факторов. 3. В полинуклеотид включены нуклеозидмонофосфаты, но в качестве субстратов используются нуклеозидтрифосфаты (обеспечение энергией, необратимость реакций). 13

Продолжение… 4. Синтез всегда идёт в направлении от 5'конца к 3'-концу вновь синтезированной цепи (таким образом следует, что матрица «прочитывается» с 3'-конца – к 5'-концу). 5. Процессы биосинтеза достаточно сложны, поэтому в них выделяют, как минимум, 3 этапа: инициация – начало, элонгация – продолжение и терминация – окончание. 14

Плюсы и минусы полинуклеотидов • Структура полинуклеотидов хорошо приспособлена для хранения и передачи информации, но эти молекулы недостаточно разнообразны для всех потребностей живой клетки. • В то же время белки, обладающие разнообразием, идеально подходят для выполнения широкого круга задач. • Взаимосвязь нуклеиновых кислот с белками явилась основой для имеющегося на земле разнообразия жизни. 15

Основной постулат = центральная догма молекулярной биологии 2 (и его корректировка) 16

ДНК 2 ДНК – самые крупные полимеры организма (М. м. около 109– 1011 Д). Расшифровка структуры ДНК относится к важнейшим научным открытиям XX века. В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик, обобщив исследования ряда ученых, создали модель ДНК. 17

а спустя 9 лет… 1962 год. Нобелевскую премию в области медицины и физиологии получили: Френсис Харри Крик (Великобритания), Джеймс Дьюи Уотсон (США), Морис Уилкинс (Великобритания) – за установление молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их роли в передаче информации в живой материи. 18

Характеристика структурной организации ДНК • Трёхмерная структура ДНК сложна, поэтому для её описания выделяют 3 уровня организации молекулы: • Первичная структура: два линейных полинуклеотида, соединённых друг с другом по принципу комплементарности. Следовательно, относительно друга они являются антипараллельно расположенными копиями (дуплекс): 19

Модели фрагментов первичной структуры ДНК 20

Схема фрагмента первичной структуры ДНК (формула) 21 http: //www. bio. mipt. ru/student/files/biology/biolections/lection 04. html

Вторичная структура ДНК = двойная спираль Азотистые основания расположены внутри спирали; параллельны другу и перпендикулярны плоскости воображаемой оси. Спираль упорядочена, в ней можно выделить две бороздки (желобки) – большую (между витками) и малую (между полинуклеотидными тяжами). Часть каждого азотистого основания видна из любой бороздки, хотя и выглядят они по-разному. Это используется клеткой для генетической регуляции с помощью белков. 22

Третичная структура ДНК = сверхскрученная ДНК или суперспираль (более компактная укладка в клетке). У эукариот этот процесс осуществляется путём взаимодействия ДНК (полианионы) с гистонами (основными белками). Отметим, что ДНК, в комплексе с белками, называется дезоксирибонуклеопротеином = ДНП. Совокупность ДНП ядра обозначается термином хроматин. 23

НУКЛЕОСОМА – структурная единица упаковки ДНК Её основу составляют 8 молекул гистонов пяти разновидностей – нуклеосомный кор (сердцевина). На белки накручены около двух На белки витков ДНК (коровая ДНК). ДНК А далее идёт фрагмент 30 -60 пар нуклеотидов (линкерная или связывающая ДНК), линкерная ДНК соединяющаяся со следующей нуклеосомой. 24

Продолжение… В растянутом состоянии суммарная длина двойной спирали ДНК клеток человека составляет ~ 1, 74 м. Полинуклеосомная организация сама по себе не достаточно компактна, чтобы разместить её в клеточном ядре, диаметр которого равен лишь нескольким микрометрам. Поэтому… 25

Продолжение… Поэтому нитка с «катушками» (или «бусами» ) нуклеосом скручивается в фибриллу, которая укладывается петлями. В свою очередь петли, формируют хромосомы = структурно организованный хроматин. 26

Схема этапов упаковки ДНК 27

Сложная и кропотливая укладка ДНК позволяет клетке «расплетать» нити и работать с отдельными фрагментами 28

Передача информации по наследству = биосинтез ДНК 2 Двухцепочечное строение ДНК обеспечивает стабиль- ность генетической информа- ции и предпосылки к самовоспроизведению. Процесс удвоения ДНК называется редупликацией и протекает в S-фазу клеточного цикла. 29

Каждая из двух старых цепей служит матрицей для образования новой: получаются две дочерние молекулы ДНК, в которых одна цепь является материнской. Такой способ образования называется полуконсервативным. 30

ДНК синтезируется очень быстро. Скорость полимеризации: от ~ 500 нуклеотидов/с у бактерий и до ~ 50 у млекопитающих). Процесс биосинтеза ДНК у эукариот намного сложнее, менее изучен, тем не менее, мы, по возможности, будем ориентироваться на них. 31

Молекулы ДНК длинные, биосинтез начинается в нескольких местах. Репликативные белки узнают определённые участки (сайты), называемые ориджинами – сайты инициации. Последние обогащены парами оснований А=Т (слабосвязанные фрагменты). Часть ДНК от одного ориджена до другого – репликон. 32

Инициация биосинтеза Синтез ДНК происходит на одноцепочечной матрице, поэтому надо провести разведение двух цепей ДНК. Образуется так называемая репликативная вилка. При этом одновременно работают около двадцати разных белков (из которых мы называем только часть), осуществляя сложный, высокоупорядоченный и энергоёмкий процесс. 33

Продолжение… В образовании репликативной вилки участвуют: 1. Топоизомераза. Фермент оборачивается вокруг ДНК и снимает напряжение, внося разрыв в одну из цепей. После релаксации топоизомераза соединяет разорванные концы. 34

продолжение 2. Хеликазы: раздвигают цепи ДНК, разрушая водородные связи. Они движутся по одиночной цепи ДНК, используя для перемещения энергию гидролиза ATФ, и продвигая репликационную вилку. 35

продолжение 3. SSB-белки: действуют после хеликаз и препятствуют соединению цепочек ДНК, оставляя доступными азотистые основания. Репликативная вилка готова к образованию комплементарных цепей 36

• Синтез ДНК осуществляют ферменты ДНК -полимеразы. • Большинство из них умеет лишь продолжать наращивание цепи, проверяя как держится предыдущий нуклеотид, затем присоединяет следующий по принципу комплементарности. • Таким образом, при биосинтезе постоянно идёт проверка и, при необходимости, коррекция. Это обеспечивает высокую точность передачи информации. 37

Самым сложным этапом, для любого процесса является начало. Во избежание ошибок синтез ДНК начинается с построения праймера – фрагмента РНК в 8 -10 нуклеотидов (РНК-затравка). Это обеспечивает: 1) работу продолжающих полимераз; 2) возможность впоследствии заменить отличающиеся РНКовые нуклеотиды на дезоксирибозильные, но уже с большей точностью воспроизведения (рассмотрим позже). 38

Основные ядерные ДНКполимеразы: 1) α-ДНК-полимераза: начинает процесс, образуя праймер, а затем достраивает его несколькими десятками дезоксирибозильных нуклеотидов. 2) β-ДНК-полимераза: удаляет праймер по одному нуклеотиду с последующим присоединением ДНКового нуклеотида к предыдущему фрагменту. 39

продолжение… 3) δ-ДНК-полимераза: продолжение биосинтеза лидирующей (опережающей) цепи ДНК в репликативной вилке. 4) ε-ДНК-полимераза: продолжение биосинтеза отстающей цепи ДНК в репликативной вилке. Отметим, что многие ДНК-полимеразы обладают также нуклеазной активностью. 40

Элонгация Начинает синтез α-ДНК-полимераза (ферментативный комплекс), которая строит праймер с небольшим ДНКовым фрагментом. Так как синтез идёт в от 5'-конца к 3', то в репликативной вилке на разных цепях-матрицах будет и различное направление процесса. 41

продолжение… При расширени вилки и совпадении с правилами направленности синтез продолжает δ-ДНК-полимераза. Работая непрерывно, она образует так называемую лидирующую цепь. 42

продолжение… На участках, находящихся против хода синтеза приходится начинать заново, то есть α-ДНК-полимераза строит праймер с небольшим ДНКовым фрагментом, который затем достраивается ε-ДНК-полимеразой до следующего праймера. 43

продолжение… Итак , по мере расширения вилки лидирующая цепь удлиняется до следующего ориджена, а отстающая каждый раз начинается с праймера. Образуются так называемые фрагменты Оказаки длиной в 100 - 200 нуклеотидов. 44

Следующий этап – удаление праймеров Для упрощения схемы возьмём праймер небольшой длины. Процесс осуществляет β-ДНК-полимераза, выполняя повторяющиеся шаги: 45

Терминация наступает тогда, когда исчерпана ДНК-матрица. При биосинтезе ДНК существует так называемая "проблема концевой репликации". При удалении 5'-концевого праймера, ДНКполимеразы не могут заменить его, так как умеют только продолжать наращивание цепи. Поэтому при каждом делении 3'-конец материнской ДНК остаётся недорепликацированым, то есть идёт укорочение дочерней нити: 46

2 Теломеры Чтобы при следующем делении не нарушалась смысловая часть ДНК, на концах каждой хромосомы имеются теломеры (от греч. телос - конец и мерос – часть). Это блоки из определённых многократно повторяющихся последовательностей нуклеотидов (теломерная ДНК) и связанные с ними белки. 47

продолжение… • Длина теломерной ДНК может достигать 10 тысяч пар нуклеотидов. Таким образом, при каждом цикле деления происходит укорочение теломер, в связи с чем большинство клеток может пройти ограниченное количество делений (~ 50) = «лимит Хейфлика» . 48

ТЕЛОМЕРАЗА - фермент, способный решать "проблему концевой репликации ДНК". Фермент открыт в 1985 году (Э. Блэкберн, К. Грейдер, США). Является ДНК-полимеразой, достраивающей недореплицированные концы короткими повторяющимися последовательностями (по 6 -8 нуклеотидов). 49

продолжение… Принцип работы фермента: Теломераза содержит собственную РНКматрицу, комплементарно которой достраивает дезоксирибозильные нуклеотиды. 50

продолжение… Ферменты, строящие ДНК на РНК-матрице, называются РНК-зависимыми ДНК-полимеразами = обратными транскриптазами = ревертазами. Таким образом есть примеры нестандартной передачи информации, то есть от РНК к ДНК. (Отметим, что часть РНКовых вирусов содержат подобные ферменты). 60 51

продолжение… Большинство соматических клеток в организме высших эукариот лишены теломеразной активности, так как после дифферецировки экспрессия гена фермента полностью подавлена. Высокая активность теломеразы обнаружена в следующих типах клеток: половых, зародышевых, стволовых, раковых. 52

продолжение… • Исследованиям теломер и теломераз уделяется огромное внимание во всём мире. • Получено много интересных и перспективных результатов не только общебиологического направления, но и прикладного, в том числе медицинского. • Свидетельством этого является: 53

Нобелевскую премию 2009 года по физиологии и медицине за "открытие механизма защиты хромосом теломерами и ферментами теломеразами" получили: 54

Справедливости ради… • В 1971 г. предложил гипотезу, по которой «предел Хейфлика» объясняется тем, что при каждом клеточном делении хромосомы немного укорачиваются. • Оловников Алексей Матвеевич (1936 г. р. ) • Исследования многих Ведущий научный сотрудник Института биохимической физики РАН, кандидат биологических наук, биолог-теоретик. учёных, прежде всего вышеназванных лауреатов, стали блестящим подтверждением гипотезы Оловникова. 55

Вернёмся к синтезированной молекуле ДНК После окончания репликации новая цепь подвергается метилированию (такие минорные нуклеотиды составляют до 8% общего количества). Метилирование (в основном А и Ц) идёт в определённых сочетаниях нуклеотидов специфическими ферментами - ДНК-метилтрансферазами. 56

продолжение… Есть несколько версий роли метилирования: 1) формирование хромосом; 2) регуляция экспрессии генов; 3) отличие смысловой цепи (цепь +, с которой считывается м. РНК); 4) в процессе редупликации – отличие материнской цепи от дочерней (в случае необходимости коррекции); 5) опознавательные пункты для систем апоптозантиапоптоз; 6) удаление чужеродной ДНК. 57

ДНК – самая знаменитая молекула! … входит в обыденную жизнь… Воронежские памятники Молекула ДНК у парка "Орленок”. 58

Кембридж. Лужайка перед коллеждем. 59

60