Нуклеиновые кислоты и основы матричного синтеза

Нуклеиновые кислоты и основы матричного синтеза

Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) относятся к сложным высокомолекулярным соединениям

Пуриновые и пиримидиновые основания

Пентозы, входящие в состав нуклеиновых кислот Пентоза

Общая структура нуклеозидов

Рибонуклеозиды

Дезоксирибонуклеозиды

Строение нуклеотидов

Общий принцип построения полинуклеотидной цепи

Первичная структура ДНК

Структура двойной спирали ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году

Пра вила Ча ргаффа — система эмпирически выявленных правил, описывающих количественные соотношения между различными типами азотистых оснований в ДНК. Были сформулированы в результате работы группы биохимика Эрвина Чаргаффа в 1949— 1951 гг. Соотношения, выявленные Чаргаффом для аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц), оказались следующими: • Количество аденина равно количеству тимина, а гуанина — цитозину: А=Т, Г=Ц. • Количество пуринов равно количеству пиримидинов: А+Г=Т+Ц. • Количество оснований с аминогруппами в положении 6 равно количеству оснований с кетогруппами в положении 6: А+Ц=Г+Т. • Вместе с тем, соотношение (A+Т): (Г+Ц) может быть различным у ДНК разных видов. У одних преобладают пары АТ, в других — ГЦ.

Рентгенограмма нити ДНК, полученная в 1951 г. Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин. Анализ рентгенограммы привёл к выводу о двуспиральной структуре ДНК

Построеная стереомодель двуцепочечной ДНК оказалась правовинтовой спиралью с противоположной (антипараллельной) ориентацией цепей. Последовательности оснований двух цепей комплементарны другу. Поэтому одна цепь может служить матрицей для сборки другой.

Двойная спираль ДНК. Молекулы ДНК состоят из двух антипараллельных цепей с комплементарной последовательностью нукпеотидов. Цепи закручены относительно друга в правозакрученную спираль так, что на один виток приходится примерно 10 пар нуклеотидов.

Комплементарность нуклеотидов (пурин – пиримидиновые пары)

Комплементарность цепей в двойной спирали

ДНК может существовать в виде нескольких форм

Параметры B-форма А-форма С-форма Z-форма спираль правоза- левоза- кручена ед. повтора 1 пн 1 пн 2 пн пн в обороте 10, 4 10, 7 9, 3 12 диаметр 23, 7 А 25, 5 А − 18, 4 А вращение/пн 35, 9 33, 6 38, 7 60/2 наклон пн к -1, 2 +19 − -9 оси раст. между пн 0. 332 nm 0. 23 nm − 0. 38 nm вдоль оси длина оборота 34Å 28Å 31Å 34, 4Å

Третичная структура ДНК (суперспирализация ДНК) • формируется в результате ее взаимодействия с белками. Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому, в составе которой разнообразные белки связываются с отдельными участками ДНК и обеспечивают суперспирализацию и компактизацию молекулы. В период покоя комплексы ДНК с белками распределены равномерно по объему ядра, образуя хроматин. • Белки хроматина включают две группы: гистоны и негистоновые белки.

• Гистоны - небольшие белки с молекулярной массой от 11 000 до 22 000 Д и высоким содержанием лизина и аргинина. Четыре типа гистонов в количестве восьми молекул (по две каждого вида) образуют комплекс - нуклеосомный кор. Между нуклеосомами находятся участки ДНК длиной около 30 нуклеотидных пар - линкерные участки, к которым присоединяются молекулы гистона Н 1. • Негистоновые белки представлены множеством ферментов и белков, участвующих в синтезе ДНК, РНК, регуляции этих процессов и компактизации

Структура рибонуклеиновых кислот (РНК) • Первичная структура РНК - порядок чередования рибонуклеозидмонофосфатов (НМФ) в полинуклеотидной цепи. В РНК, как и в ДНК, нуклеотиды связаны между собой 3', 5'- фосфодиэфирными связями. • Вторичная структура РНК представлена одной полинуклеотидной цепью. Отдельные участки цепи РНК образуют спирализованные петли - "шпильки", за счёт водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями A-U и G-C. • Третичная структура РНК характеризуются компактностью и упорядоченностью, возникающей в результате взаимодействия спирализованных элементов вторичной структуры. Стабилизирована ионами двухвалентных металлов, например ионами Mg 2+, связывающимися не только с фосфатными группами, но и с основаниями.

Основные типы РНК • транспортные РНК (т. РНК), • матричные РНК (м. РНК), • рибосомальные РНК (р. РНК).

Матричные РНК • Первичная структура всех м. РНК, независимо от уникальности их кодирующей последовательности, имеет одинаковое строение 5'- и З'-концов. • На 5'- конце присутствует модифицированный нуклеотид 7 -метилгуанозин-5'-трифосфат (кэп). Несколько десятков нуклеотидов отделяют кэп от инициирующего кодона, обычно это триплет - AUG-. • За кодирующим участком следует один из терминирующих кодонов -UGA-, -UUA-, -UAG-. • На 3'-конце большинства м. РНК присутствует последовательность нуклеотидов из 100 -200 аденозинмонофосфатных остатков.

Транспортные РНК Спирализованные участки обозначены на рисунке пунктиром; "общие участки" одинаковы у всех т. РНК; 1 - петля переменного размера; UH 2 (дигидроурацил), ψ (псевдоурацил) - минорные основания; антикодону всегда предшествует U (урацил), а после него всегда стоит минорное основание

Рибосомальные РНК • Рибосомальные РНК имеют многочисленные спирализованные участки. • р. РНК образуют комплексы с белками, которые называют рибосомами. • Субъединицы рибосом различаются не только набором р. РНК, но и количеством и структурой белков

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) или белок.

Репликация носит полуконсервативный характер (Мэтью Мезенсон и Франклин Сталь, 1953 г. )

Репликация - матричный процесс. • Во время репликации каждая из двух цепей ДНК служит матрицей для образования новой цепи. Субстратами и источниками энергии для синтеза ДНК являются дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (д. НТФ: д. АТФ, д. ГТФ, д. ЦТФ, д. ТТФ). • Процесс включает следующие основные этапы. Ø I. Формирование репликативной вилки. Ø II. Синтез новых цепей ДНК (элонгация). Ø III. Исключение праймеров. Ø IV. Завершение формирования отстающей цепи ДНК (терминация).

Формирование репликативной вилки

Элонгация

Ориджины репликации

Удаление праймеров

Теломераза «достраивает» недостающие участки

Синтез РНК на ДНК-матрице называется транскрипцией. • В результате образуются первичные траскрипты м. РНК, т. РНК, р. РНК, комплементарные матричной цепи ДНК, имеющей направление от 3'-, к 5'-концу. Субстратами и источниками энергии для синтеза РНК являются рибонуклеозидтрифосфаты ( НТФ: АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ). • Катализируют синтез РНК ферменты РНК-полимеразы. В ядре клеток эукариотов обнаружены три фермента: Ø РНК-полимераза I, синтезирующая пре-р. РНК; Ø РНК-полимераза II, ответственная за синтез пре-м. РНК; Ø РНК-полимераза III, синтезирующая пре-т. РНК.

Стадии трансляции 1. Инициация. Присоединение ТАТА-фактора. 2. Инициация. Образование транскрипционной вилки. 3. Элонгация. 4. Терминация.

Сплайсинг пре-м. РНК

Трансляция − механизм перевода генетической информации в фенотипические признаки Триплетность и Кодовое число равно 3. Три нуклеотидных остатка наличие (триплет) кодируют одну аминокислоту. терминирующих Терминирующие триплеты - UАА, UАG, UGА не кодонов кодируют аминокислот, а являются сигналами к прекращению синтеза белка Специфичность Каждый триплет кодирует только одну аминокислоту Вырожденность Одну аминокислоту могут кодировать несколько триплетов (от 2 до 6) Универсальность Почти у всех видов организмов биологический код одинаков Однонаправлен- Информация, записанная в зрелой м. РНК в виде ность линейной последовательности кодонов (триплетов), считывается в направлении от 5'- к 3'- концу Колинеарность Последовательность кодонов в зрелой м. РНК соответствует последовательности аминокислот в синтезированном белке

Принципиальная схема биосинтеза белка (по А. С. Спирину)

Адапторная роль т. РНК.

События на рибосоме включают 3 этапа. 1 этап – инициация.

События на рибосоме включают 3 этапа. 2 этап –элонгация.

События на рибосоме включают 3 этапа. 2 этап –элонгация.

События на рибосоме включают 3 этапа. 2 этап –элонгация.

События на рибосоме включают 3 этапа. 3 этап –терминация.

Функционально активные белки образуются в результате посттрансляционных модификаций полипептидных цепей: ü частичный протеолиз; ü фолдинг, или формирование пространственной структуры, в котором принимают участие белки- шапероны, обеспечивающие образование функционально активной конформации полипептидной цепи; ü модификации аминокислот: карбоксилирование, фосфорилирование, йодирование, гидроксилирование, ацилирование и гликозилирование; ü образование дисульфидных связей между остатками цистеина, участвующими в формировании трехмерной структуры белка; ü присоединение простетических групп; ü образование олигомерных структур, которое также осуществляется при участии шаперонов.