НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ Нуклеиновые кислоты … • важнейшие

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Нуклеиновые кислоты … • важнейшие биополимеры, осуществляющие хранение и передачу генетической информации в живой клетке дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК) ДНК – генетический материал большинства организмов В прокариотических клетках – хромосомная ДНК и внехромосомные ДНК – плазмиды В эукариотических клетках • • – – основная масса ДНК – в ядре, где связана с белками в хромосомах ДНК содержится в различных органеллах (митохондриях, хлоропластах)

Нуклеиновые кислоты … • РНК – матричные (информационные) РНК (м. РНК или и. РНК) – рибосомные РНК (р. РНК) – транспортные РНК (т. РНК) – и ряд др. – входят в состав многих вирусов

Химический состав нуклеиновых кислот

• При полном гидролизе нуклеиновых кислот образуются – пуриновые и пиримидиновые основания – углеводы (рибоза и дезоксирибоза) – фосфорная кислота

Пиримидиновые основания • • • Производные пиримидина Сопряжение -электронов Бесцветное кристаллическое вещество, относящееся к классу диазинов Тпл 22 С, Ткип 124 С Хорошо растворим в воде Не дает щелочной реакции, но образует соли с сильными кислотами

Пиримидиновые основания • • • урацил (2, 4 -диоксипиримидин) тимин (5 -метил-2, 4 диоксипиримидин) цитозин (2 -окси-4 аминопиримидин)

Пиримидиновые основания • • • Урацил входит в состав только РНК Тимин – в основном в ДНК и очень редко – в некоторые РНК Тимин и урацил имеют окисленный атом углерода в положении 4 В цитозине этот атом аминирован Все производные пиримидина имеют плоское строение

Пиримидиновые основания • • • Минорные азотистые основания 5 -метилцитозин 5 -оксиметилцитозин

Пиримидиновые основания • лактим-лактамная таутомерия

Пуриновые основания • • • Производные пурина Высокая степень сопряжения -электронов Бесцветное кристаллическое вещество, растворимое в воде

Пуриновые основания • • Аденин (6 -аминопурин) Гуанин -амино-6 -оксипурин) (2

Пуриновые основания • • Аденин и гуанин встречаются как в ДНК, так и в РНК Основное структурное отличие их – атом С 6 в гуанине окислен, а в аденине аминирован

Пуриновые основания • • • Минорные азотистые основания 2 -метиладенин 1 -метилгуанин

Пуриновые основания • таутомерия

Углеводы

Локализация в клетке ДНК и РНК Виды ДНК и РНК

• Количество ДНК в клетке измеряется пикограммами (1 пг = 10– 12 г) и колеблется от 0, 01 пг у кишечной палочки до нескольких пг в клетках высших организмов

Виды ДНК по месту локализации • • Ядерная ДНК (у эукариот преобладает) Митохондриальная ДНК (у животных), хлоропластная ДНК (у растений) • Центриольная ДНК • Эписомальная ДНК – Эписомы – внехромосомные единицы наследственности микроорганизмов • ДНК вирусов и фагов

Виды РНК по функциональному значению, Мr и локализации • Транспортные РНК (т. РНК) – Мr от 17 до 35 тыс. – в гиалоплазме, ядерном соке, матриксе хлоропластов и митохондрий – Функция – перенос АК к месту синтеза белка • Рибосомальные РНК (р. РНК) – Мr • • – от 550 до 700 тыс. у РНК 30– 40 S субчастиц рибосом 1, 1– 1, 7 106 – у РНК 50– 60 S субчастиц рибосом 40 тыс. – у 5 S РНК ~50 тыс. – у 5, 8 S РНК Структурная основа рибосом

Виды РНК по функциональному значению, Мr и локализации • Информационные, или матричные РНК (и. РНК, м. РНК) – Мr от 300 тыс. до 4 106 – Матричная функция в синтезе белка • Вирусные РНК – составные части вирусных и фаговых рибонуклеопротеидов, несут информацию, необходимую для размножения вируса в клетках хозяина • Ядерные РНК – предшественники всех видов РНК эукариотической клетки

Строение структурных элементов нуклеиновых кислот

• Мономерные звенья ДНК и РНК – остатки нуклеотидов, состоящих из остатков азотистого основания, рибозы или дезоксирибозы и фосфорной кислоты • Образуются при гидролизе нуклеиновых кислот водным раствором щелочи или ферментами • При гидролизе РНК – рибонуклеотиды • При гидролизе ДНК – дезоксирибонуклеотиды

Рибонуклеотиды • Цитидин-3 -монофосфат (ЦМФ, цитидиновая кислота)

Рибонуклеотиды • Уридин-3 -монофосфат (УМФ, уридиновая кислота)

Рибонуклеотиды • Аденозин-3 -монофосфат (АМФ, адениловая кислота)

Рибонуклеотиды • Гуанозин-3 -монофосфат (ГМФ, гуаниловая кислота)

Дезоксирибонуклеотиды • Дезокситимидин-3 монофосфат (д. ТМФ, дезокситимидиновая кислота)

Дезоксирибонуклеотиды • Дезоксицитидин-3 монофосфат (д. ЦМФ, дезоксицитидиновая кислота)

Дезоксирибонуклеотиды • Дезоксиаденозин-3 монофосфат (д. АМФ, дезоксиадениловая кислота)

Дезоксирибонуклеотиды • Дезоксигуанозин-3 монофосфат (д. ГМФ, дезоксигуаниловая кислота)

• Остаток фосфорной кислоты может быть у 5 атома С рибозы • формулы – самостоятельно

• Мононуклеотиды – сильные кислоты (? ) • Гидролизуются до нуклеозидов – ЦМФ цитидин + Н 3 РО 4 – УМФ уридин + Н 3 РО 4 – АМФ аденозин + Н 3 РО 4 – ГМФ гуанозин + Н 3 РО 4 – д. ЦМФ дезоксицитидин + Н 3 РО 4 – д. ТМФ дезокситимидин + Н 3 РО 4 – д. АМФ дезоксиаденозин + Н 3 РО 4 – д. ГМФ дезоксигуанозин + Н 3 РО 4 • Дают реакции по типу многоатомных спиртов и за счет азотистых оснований

• Мононуклеотиды, объединяясь, могут образовывать олиго- и полинуклеотиды, при этом образуются фосфодиэфирные связи между 3 -атомом С углевода одного мононуклеотида и 5 -атомом С углевода другого мононуклеотида

• Кроме монофосфатов, могут быть ди- и трифосфаты • Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)

Нуклеиновые кислоты ДНК

ДНК … • • • дезоксирибонуклеиновая кислота – биологическая макромолекула, носитель генетической информации во всех эукариотических и прокариотических клетках и многих вирусах Длина молекулы ДНК – до сотен тысяч нм m(молекулы) – до 6 10– 12 г (Мr > 106) Из азотистых оснований в состав ДНК входят А, Г, Т, Ц; углеводный компонент – дезоксирибоза ДНК содержит всю информацию о наследственности, которая реализуется в синтезе белка

Первичная структура ДНК

Первичная структура ДНК … • последовательность дезоксирибонуклеотидов, связанных 3 – 5 -фосфодиэфирными связями – Один конец цепи ДНК несет 5 -ОН-группу и фосфат, а другой – 3 -ОН-группу – Последовательность оснований в ДНК всегда записывается в направлении от 5 к 3 -концу

Генетический код

• Одна из наиболее интригующих головоломок молекулярной биологии начала 1970 -х гг. – выяснение вопроса о том, каким образом четырехбуквенный «язык» ДНК переводится на двадцатибуквенную «речь» белков • Вопрос сводится к тому, из чего состоит этот таинственный код • Вероятнее всего, он заключается в определенной последовательности расположения нуклеотидов в молекуле ДНК

• До 1961 г. оставалось нерешенным, какие нуклеотиды ответственны за включение определенной аминокислоты в молекулу белка и какое число нуклеотидов определяет это включение • Теоретический разбор: – 1 нуклеотид (могут кодироваться только 4 аминокислоты) – 2 нуклеотида – дуплет (42 = 16 аминокислот) – Триплетный код – 43 = 64

• • М. У. Ниренберг Х. Г. Корана С. Очоа в 1966 г. представили доказательства не только состава, но и последовательности триплетов всех кодонов, ответственных за включение каждой из 20 аминокислот молекул белков

Свойства генетического кода 1. Триплетность 2. Вырожденность 3. Линейность, однонаправленность и неперекрываемость 4. Универсальность

Свойства генетического кода • • • Среди 64 кодонов 61 имеет смысл (кодирует определенную АК) 3 кодона бессмысленны (УАГ, УАА, УГА) Выполняют функцию окончания в синтезе белка, терминации синтеза Таким образом, генетический код – зависимость между основаниями в нуклеотидах ДНК и аминокислотами в молекуле белка Ген – участок ДНК, являющийся основной единицей наследственности

Вторичная структура ДНК

• Молекулы природной ДНК в подавляющем большинстве случаев (кроме ДНК фагов) составлены парами взаимозакрученных полидезоксирибонуклеотидных цепей, каждой из которых свойственно специфическое, но противоположное чередование нуклеотидных остатков

• 1953 г. • Дж. Уотсон • Ф. Крик • Правая спираль • Двойная спираль

• Направление цепей взаимно противоположное (5 – 3 и 3 – 5 ) • Сахарофосфатный остов располагается по периферии двойной спирали, а азотистые основания находятся внутри, и их плоскости перпендикулярны оси спирали

• Э. Чаргафф • 1950 г.

Правила Чаргаффа 1. 2. • • • У ДНК молярная сумма Г и А (пуриновые основания) = молярной сумме Ц и Т (пиримидиновые основания). Эта закономерность несвойственна РНК В молекулах ДНК число остатков А всегда равно числу остатков Т. В таком же отношении находятся Г и Ц. В молекулах РНК этого нет Принцип комплементарности или дополнения Между азотистыми основаниями образуются специфические водородные связи, в результате чего осуществляется так называемое уотсонкриковское спаривание А всегда образует водородные связи с Т, а Г – с Ц

Правила Чаргаффа

Правила Чаргаффа • • Таким образом, более объемные пурины всегда спариваются с пиримидинами, имеющими меньшие размеры Это приводит к тому, что расстояния между С 1 атомами дезоксирибозы в двух цепях оказываются одинаковыми для АТ- и ЦГ-пар и равными 1, 085 нм В результате АТ- и ЦГ-пары включаются в двойную спираль без какого-либо заметного изменения геометрии остова К тому же такое спаривание оказывается и более выгодным энергетически, т. к. реализуется максимальное число возможных водородных связей (2 между А и Т и 3 – между Г и Ц)

Спаривание комплементарных оснований в молекуле ДНК

Правила Чаргаффа 3. • Отношение суммы молярных концентраций Г и Ц к сумме молярных концентраций А и Т у ДНК и А и У у РНК сильно варьирует Это отношение для ДНК и РНК называется коэффициентом специфичности нуклеиновых кислот

Геометрия двойной спирали

• Соседние пары оснований – на расстоянии 0, 34 нм и повернуты на 36 вокруг оси спирали • На один виток спирали приходится 360 /36 = 10 пар оснований • Шаг спирали 10 0, 34 = 3, 4 (нм) • Диаметр двойной спирали ~20 нм • Желобки (большой и малый) • Это связано с тем, что сахарофосфатный остов расположен дальше от оси спирали, чем основания

Стабильность двойной спирали

• Водородные связи между основаниями. • Стэкинг-взаимодействия (от англ. stack – стог, куча, груда, стопка) направлены вдоль оси спирали • Гидрофобный эффект

Полиморфизм ДНК

Полиморфизм ДНК … • • способность двойной спирали принимать различные конформации По данным рентгеноструктурного анализа, ДНК может образовывать А-, В-, С-, Z-, Г- и другие формы, отличающиеся по ряду параметров

В-ДНК • • стандартная уотсон-криковская структура, в которой плоскости пар оснований перпендикулярны оси двойной спирали наиболее адекватна для репликационных процессов

А-ДНК • • В-ДНК переходит в А -форму при понижении влажности или активности воды в растворе (добавление спирта) Уменьшается расстояние между нуклеотидными парами вдоль оси спирали до 0, 26 нм при 11 нуклеотидных остатков на виток спирали

А-ДНК • • Диаметр спирали увеличивается, изменяется ширина и глубина бороздок, пары оснований образуют с осью спирали угол около 20 и смещены к периферии спирали Вследствие этого спираль похожа на пологую винтовую лестницу, а внутри нее возникает полость диаметром 0, 40 нм

А-ДНК • наиболее адекватна для процесса транскрипции (передачи информации)

С-ДНК • • • получается при еще меньшей влажности, чем А-форма Расстояние между нуклеотидными парами в ней равно 0, 33 нм при 9, 3 нуклеотидных остатка на виток спирали Эта форма наиболее адекватна для упаковки ДНК в составе хроматина (хранения информации) и содержится в составе некоторых вирусов

Z-ДНК • левая спираль ДНК, образующаяся в растворах с высокой концентрацией солей или при добавлении спирта (А. Рич, 1979 г. )

Z-ДНК • Отличительная особенность – повторяющейся единицей в ней является динуклеотид, в котором 2 соседних мононуклеотида находятся в разных конформациях

Z-ДНК • • Диаметр молекулы 1, 8 нм, число нуклеотидных остатков в витке – 12, расстояние между ними – 0, 34 нм, наклон к оси спирали – 7 В Z-форме имеется лишь один желоб (бороздка)

Z-ДНК • Биологическая роль Z-формы до конца не выяснена, но предполагается, что в этой форме реализуется участие ДНК в ряде метаболических процессов

SBS-ДНК • • от англ. side by side – бок о бок характеризуется отсутствием взаимозакручивания полидезоксирибонуклеотидных цепей, что обеспечивает легкое распаривание и расхождение цепей в процессе биосинтеза ДНК

H-ДНК • • • тройная спираль, образующаяся при р. Н 4, 0 Биологическая роль не ясна Четверные спирали ДНК – один из вариантов перехода к третичной структуре ДНК

• Биспиральные структуры в молекулах ДНК возникают не только при взаимодействии 2 -х комплементарных цепей, но и в пределах одной и той же цепи • Это происходит, когда в комплементарных цепях ДНК присутствуют палиндромы (от греч. палин – обратно, дроме – бегу): ГАЦАЦЦАГЦТГГТГТЦ ЦТГТГГТЦГАЦЦАЦАГ • Палиндромы – зоны «узнавания» структур ДНК ферментами и регуляторными белками • Эти участки могут спирализоваться сами на себя, образуя крестообразные структуры – шпильки

Третичная структура ДНК

• ДНК прокариот существует в линейной и кольцевой формах, третичная структура которых характеризуется спирализацией и суперспирализацией • У эукариот ДНК в третичной структуре находится в составе хроматина ядра и хромосом и характеризуется суперспирализацией нескольких уровней – длина всех молекул ДНК человека составляет в среднем 2 1010 км (расстояние от Земли до Солнца 1, 4 108 км) – длина ДНК одной клетки 2 м, а диаметр ядра, в котором она содержится, 5 мкм

• Первый уровень суперспирализации ДНК в хроматине поддерживается белками-гистонами, образующими комплексы с молекулой ДНК – нуклеосомы • Нуклеосома образуется гистонами Н 2 а, Н 2 b, Н 3 и Н 4, образующими октамер; и около 200 нуклеотидными парами • Участки ДНК между нуклеосомами – линкерная ДНК – состоят из 6– 60 пар нуклеотидов и покрыты гистоном Н 1 • Таким образом на первом уровне суперспирализации образуется цепь из «бусинок» – нуклеосом

• Более высокие уровни суперспирализации (соленоид, диффузный кластеризованный и конденсированный хроматин) образуются при закручивании в спираль второго и последующего порядков цепочки нуклеосом вплоть до конденсации в хромосому

• На один оборот спирали приходится: – в несуперспирализованной ДНК – 10 пар нуклеотидов – в нуклеосоме – 80 (уплотнение в 6– 7 раз) – в соленоиде – 6 нуклеосом на виток, 1200 нуклеотидных пар (уплотнение в 40 раз) – в каждой петле хроматина – 60000 нуклеотидных пар (в 680 раз) – в хромосоме – 1, 1 106 нуклеотидных пар (в 1, 2 104 раз)

• При суперспирализации ДНК приобретает «скрытую» конформационную энергию, влияющую на любой процесс, происходящий с изменением числа витков двойной спирали • Это позволяет ферментам, локально расщепляющим ДНК (ДНК-полимеразы и др. ), легко связываться с суперспирализованной ДНК • Кроме того, появляется реальная возможность образования участков вторичной структуры, которые термодинамически невыгодны и практически не существуют в линейной или циклической форме • Переход ДНК в суперспирализованное состояние и обратно осуществляется при посредстве ферментов топоизомераз

Свойства ДНК

• ДНК – вещества белого цвета, волокнистого строения, плохо растворимые в воде (растворяются в виде солей щелочных металлов), но растворимы в крепких растворах солей • Растворы ДНК обладают высокой вязкостью и двойным лучепреломлением • Молекулы ДНК имеют отрицательный заряд и поэтому подвижны в электрическом поле • Оптически активны

• При температурах от 80 до 90 С происходит «плавление» ДНК, сопровождающееся изменением вязкости раствора и возрастанием поглощения в ультрафиолетовой части спектра (гиперхромный эффект)

• ДНК химически инертна • Может вступать в реакции: – с ионами металлов (с Cu 2+ и Ме 4+ образует нерастворимые комплексы) – с полиаминами – спермидином H 2 N–(CH 2)3–NH–(CH 2)4–NH 2 и спермином H 2 N–(CH 2)3–NH–(CH 2)4–NH–(CH 2)3–NH 2 – алкилирование аминогрупп А, Г, Ц – дезаминирование Г и Ц • Последние два процесса – основа химического мутагенеза

Репликация (редупликация, самоудвоение) ДНК

• Репликация ДНК (от англ. replication – копирование; reduplication – удвоение) – процесс, при котором информация, закодированная в последовательности нуклеотидов родительской ДНК, передается с максимальной точностью дочерней ДНК • Биосинтез ДНК протекает из дезоксирибонуклеозидтрифосфатов при действии ДНК-полимераз, которые катализируют перенос дезоксирибонуклеотидных фрагментов от дезоксирибонуклеозид-5 -трифосфатов на группу –ОН 3 -концевого фрагмента растущей цепи

Участие ДНК-полимеразы в репликации ДНК

• Таким образом, происходят 2 сопряженных процесса – гидролиз макроэргической связи ( G << 0) и образование фосфодиэфирной связи ( G > 0)

Механизм репликации 1. • • • Инициация синтеза (от англ. initiation – введение) – начало синтеза Биосинтез ДНК начинается в строго определенном участке молекулы – участке ori (от англ. origin of replication) и от него распространяется в обе стороны Для инициации репликации ДНК расплетается в участке ori, образуя репликативную вилку В этом участвуют ферменты геликазы, перемещающиеся вдоль молекулы ДНК в двух направлениях

Участие геликазы в формировании репликативной вилки

Механизм репликации • В отличие от геликаз, ДНК-полимеразы могут перемещаться только от 3 - к 5 концу полинуклеотидной цепи, поэтому непрерывный синтез ДНК происходит только на одной нити ДНК – ведущей цепи

Механизм репликации • На другой, запаздывающей (ведомой) цепи 1) должен образоваться затравочный нуклеотидный фрагмент – праймер (от англ. primer – запал), состоящий из рибонуклеотидов – В этом участвует фермент ДНК-зависимая РНКполимераза (праймаза) – Праймер образуется лишь в определенных участках запаздывающей цепи и состоит из нескольких десятков рибонуклеотидных звеньев 2) Синтез ДНК идет в противоположном направлении (фермент – ДНК-полимераза)

Механизм репликации 2. • • • Элонгация (от англ. elongate – удлинять) – продолжение синтеза На ведущей цепи происходит непрерывный синтез, а на запаздывающей – образуется новый праймер, т. е. синтез идет не непрерывно, а в виде фрагментов – фрагментов Т. Оказаки (1967 г. ), состоящих из примерно 200 нуклеотидных остатков (соответствует длине нуклеосомных участков ДНК) Как только второй фрагмент Оказаки достигает первый, праймер I удаляется с помощью РНКазы, а фрагменты «сшиваются» при посредстве ДНК-лигазы Далее процессы повторяются

Репликация лидирующей и запаздывающей цепей (I)

Репликация лидирующей и запаздывающей цепей (II)

Репликация лидирующей и запаздывающей цепей (III)

Механизм репликации 3. • • Терминация (окончание) синтеза (от англ. termination – предел) Прекращение биосинтеза ДНК предположительно кодируется особой нуклеотидной последовательностью (палиндромом) на конце хромосомы Кроме того, репликация прекращается при встрече двух репликативных вилок

Белковые факторы репликации 1. 2. 3. ДНК-связывающий белок ДНК-раскручивающий белок. Антагонист – ДНК-закручивающий белок Комплекс белковых факторов, обеспечивающих продвижение репликативной вилки и ее функционирование – праймосома

Закономерности репликации • • По принципу комплементарности, Молекула ДНК родительской клетки является матрицей, на которой синтезируются новые цепочки ДНК Гомологический механизм Полуконсервативный способ удвоения

Консервативная модель репликации • Консервативная репликация предполагает образование совершенно новой молекулы ДНК

Полуконсервативная репликация • Semiconservative replication would produce two DNA molecules, each of which was composed of one-half of the parental DNA along with an entirely new complementary strand • In other words the new DNA would consist of one new and one old strand of DNA • The existing strands would serve as complementary templates for the new strand

Транскрипция (синтез РНК)

У прокариот – одна РНК-полимераза, состоящая из 5 субъединиц У эукариот используется три РНК-полимеразы: полимераза I локализована в ядрышке, где она катализирует синтез р. РНК; полимераза II находится в нуклеоплазме и участвует в синтезе • Транскрипция РНК (от англ. transcription – м. РНК; полимераза III также локализована в переписывание) – процесс переноса генетической нуклеоплазме и участвует в синтезе т. РНК и 5 Sинформации от ДНК-матрицы к РНК р. РНК • Биосинтез РНК осуществляется при посредстве ДНК-зависимых РНК-полимераз, представляющих собой комплекс, состоящий из нескольких субъединиц – холофермент

• Та часть молекулы ДНК, которая копируется в процессе биосинтеза РНК на ней, называется транскриптоном • Транскриптон содержит информативные (экзоны) и неинформативные (интроны) зоны • Информативные зоны содержат информацию о РНК с определенной функциональной активностью • Неинформативная зона содержит регуляторные последовательности, с которыми взаимодействуют регуляторные белковые факторы, ускоряющие или замедляющие процесс транскрипции

Этапы транскрипции 1. • Инициация. Транскрипция начинается на определенном участке ДНК – промоторе (от англ. promoter – то, что способствует чему-либо, подстрекатель) Промотор – участок молекулы ДНК, имеющий размер около 40 пар оснований, определенную нуклеотидную последовательность и расположенный непосредственно перед участком (сайтом, от англ. site – участок) инициации транскрипции

Начало транскрипции (I)

РНК-полимераза ІІ

Инициация транскрипции

Этапы транскрипции • • Когда полимераза связывается с промотором, происходит локальное расплетание двойной спирали ДНК и образуется промоторный комплекс Синтез РНК всегда начинается с оснований А или Г «+» -цепи (5 – 3 ) и идет на одной цепи ДНК, а именно, на так называемой «–» цепи (3 – 5 ) в направлении 3 – 5

Транскрипция РНК (II)

Этапы транскрипции 2. • • Элонгация наступает после присоединения примерно 8 рибонуклеотидов Синтез РНК идет из рибонуклеозилтрифосфатов При этом к растущей цепи присоединяются те рибонуклеозидтрифосфаты, которые обеспечивают правильное спаривание с «–» цепью ДНК (принцип комплементарности) Движущийся вдоль ДНК фермент действует подобно застежке-молнии «Раскрытая» ферментом область простирается только на несколько пар оснований

Этапы транскрипции 3. • • • Терминация (прекращение роста) цепи РНК происходит на специфических участках ДНК – терминаторах Начало этих участков (сайтов) обычно обогащено ГЦ-парами, а остальная последовательность – АТ-парами ГЦ-богатый участок часто представляет собой палиндром Важную роль играет белковый фактор терминации – -белок

Окончание транскрипции (III)

Первичный транскрипт (IV)

Схема транскрипции

Этапы транскрипции 4. • Посттранскрипционный процессинг (от англ. processing – обработка) – процесс созревания РНК, при котором первичный РНК-транскрипт (от англ. transcript – копия) модифицируется и превращается в зрелую РНК Характер и степень модификации зависит от типа РНК и включает:

Этапы транскрипции • • Сплайсинг (от англ. splice – сращивать) – удаление последовательностей РНК, соответствующих интронам ДНК, и соединение участков, соответствующих экзонам Образование специфических фрагментов (зон): кэпструктуры (от англ. cap – шапочка) на 5 и поли. Апоследовательности – на 3 -конце – для м. РНК; последовательности ЦЦА на 3 -конце – для т. РНК Расщепление спейсеров (от англ. spacer – прокладка) – участков РНК, соединяющих участки, соответствующие 18 S-, 5, 8 S- и 28 S-р. РНК эукариот (16 S-, 23 S- и 5 S-р. РНК прокариот) Модификацию азотистых оснований с превращением их в минорные (для т. РНК)

Продукты транскрипции: пре-м. РНК

Продукты транскрипции: пре-р. РНК

Продукты транскрипции: пре-т. РНК

Центральная догма

Нуклеиновые кислоты РНК

Рибонуклеиновые кислоты • повсеместно распространены в живой природе – во всех микроорганизмах, растительных и животных клетках и являются носителями наследственной информации во многих вирусах • обеспечивают реализацию в клетке наследственной информации, которая передается с помощью ДНК • содержат: из азотистых оснований – А, Г, У, Ц, углевод рибозу и имеют молекулярную массу (0, 5– 2 106)

Первичная структура РНК

Первичная структура РНК … • последовательность рибонуклеотидов, связанных 3 – 5 -фосфодиэфирными связями (похожа на ДНК)

Вторичная структура РНК

• Макромолекулы большинства природных РНК построены из одной полирибонуклеотидной цепи • Основной элемент вторичной структуры – сравнительно короткие двойные спирали, образованные комплементарными участками одной и той же цепи и перемежающиеся ее однотяжевыми сегментами • Полирибонуклеотидные цепи в таких двуспиральных структурах антипараллельны, а сами двойные спирали, находящиеся в А-форме, не идеальны: в них имеются дефекты в виде неспаренных остатков или не вписывающихся в двойную спираль однотяжевых петель (шпильки)

• Стабильность двутяжевых районов поддерживается комплементарными (А–У и Г–Ц) и межплоскостными (стэкинг) взаимодействиями оснований • В однотяжевых участках наблюдаются сильные стэкинг-взаимодействия оснований, вследствие чего они стремятся принять конформацию однотяжевой спирали

Третичная структура РНК

• В физиологических условиях однотяжевые РНК характеризуются компактной и упорядоченной третичной структурой, которая возникает за счет взаимодействия шпилькообразных элементов их вторичной структуры • т. РНК – единственные представители природных полирибонуклеотидов, которые удалось закристаллизовать и изучить методом рентгеноструктурного анализа • Поэтому представления о принципах организации структуры РНК практически полностью основаны на данных о пространственной структуре т. РНК

1. Элементы вторичной структуры РНК располагаются друг относительно друга так, чтобы обеспечить максимальный стэкинг оснований в макромолекуле в целом 2. Контакты между отдельными элементами вторичной структуры осуществляются за счет нескольких типов так называемых «третичных» внутримолекулярных взаимодействий – а) за счет образования дополнительных, зачастую неуотсон-криковских (например, Г–У) пар оснований между нуклеотидными остатками удаленных друг от друга (в первичной и вторичной структурах) однотяжевых участков и триплетов оснований между нуклеотидными остатками однотяжевых и двутяжевых элементов

– б) за счет дополнительных ( «третичных» ) стэкинг-взаимодействий после интеркаляции (от англ. intercalation – внедрение) оснований одного участка между двумя соседними основаниями другого однотяжевого участка – в) за счет образования дополнительных водородных связей между 2 -ОН-группами остатков рибозы и основаниями, а также другими группами сахарофосфатного остова 3. Третичная структура РНК стабилизирована ионами двухвалентных металлов, которые связываются не только с фосфатными группами, но и с основаниями

Классы РНК

• По составу, структуре и функциям различают – транспортные (т. РНК) – рибосомальные (р. РНК) – информационные (и. РНК, или РНК-посредники, мессенджер-РНК, от англ. messenger – курьер, посыльный, м. РНК, матричные РНК) – ядерные (я. РНК, или гетерогенные ядерные РНК – гя. РНК)

Транспортные РНК

• Основная функция т. РНК – перенос аминокислот к местам синтеза белка – к рибосомам • Каждая индивидуальная т. РНК способная переносить единственную аминокислоту • Конкретные т. РНК называют по имени этой аминокислоты – аланиновая т. РНК, или т. РНКала – Если одна и та же аминокислота переносится несколькими т. РНК, то последние называют изоакцепторными и нумеруют (т. РНКвал 1, т. РНКвал 2)

• т. РНК богаты минорными нуклеотидными остатками и содержат нуклеозиды и нуклеотиды своеобразного строения Псевдоуридиловая кислота ( )

• минорные нуклеотидные остатки – защищают т. РНК от атаки рибонуклеазами – принимают участие в кодировании аминокислот – важны для узнавания аминоацил-т. РНКсинтетазой нужной т. РНК • В т. РНК заметно преобладает (Г+Ц) над (А+У) • Молекулярные массы т. РНК 17– 35 тыс.

Первичная структура т. РНК • • Р. У. Холли, 1965 г. , т. РНКала пекарских дрожжей А. А. Баев, 1967 г. , т. РНКвал дрожжей

Закономерности первичной структуры т. РНК • • Все т. РНК начинаются с фосфорилированного 5 -конца; в 75% случаев первым основанием является Г На 3 -конце всегда присутствуют три основания – ЦЦА, причем остаток А служит для связывания (акцептирования) аминокислоты В первичной структуре т. РНК имеются гомологичные блоки, крайне близкие по чередованию нуклеотидных остатков Кроме того, минорные нуклеотидные остатки закономерно распределены в первичной структуре т. РНК.

Вторичная структура т. РНК • • • АА – аминоацильный (акцепторный) конец АС – антикодоновая петля Т – псевдоуридиловая петля, в ней содержится последовательность ГТ Ц D – дигидроуридиловая петля V – вариабельная (добавочная) петля

Третичная структура т. РНК • • • Стала ясна после рентгеноструктурного анализа т. РНКфен из дрожжей А. Рич А. Клуг

Рибосомальная РНК

• У всех организмов найдено три вида р. РНК, отличающиеся по молекулярным массам и локализации в рибосомах, обязательной составной частью которых они являются • Две р. РНК высокомолекулярны • третья сравнительно низкополимерна • Кроме того, в рибосомах эукариот присутствует еще одна низкомолекулярная р. РНК

• Различают: – 16– 18 S р. РНК, локализованную в 30– 40 S субчастицах рибосом (Мr = 0, 55– 0, 79 106) – 23– 29 S р. РНК, локализованную в 50– 60 S субчастицах рибосом (Мr = 1, 07– 1, 6 106) – 5 S р. РНК присутствует во всех рибосомах и локализована в 50– 60 S субчастицах (Мr = 40 тыс. ) – 5, 8 S р. РНК характерна только для эукариотических рибосом (Мr ~ 50 тыс. )

Первичная структура р. РНК • • • Нуклеотидный состав высокополимерных р. РНК варьирует в довольно широких пределах и по мере усложнения организма все более смещается в сторону преобладания ГЦ-пар р. РНК митохондрий отличаются резким преобладанием АУ-пар (митохондриальная РНК) Высокомолекулярные р. РНК содержат в 2– 5 раз меньше минорных оснований, чем т. РНК

Первичная структура р. РНК • • В 5 S р. РНК совершенно нет минорных оснований (иногда – только псевдоуридиловая кислота) 5 S р. РНК относится к ГЦ-типу 5 S р. РНК содержит 120 нуклеотидных остатков (за редким исключением), последовательность которых в незначительной мере отличается у разных организмов. Молекулы 5, 8 S р. РНК в подавляющем большинстве случаев содержат 158 нуклеотидных остатков

Первичная структура р. РНК • • Работы по выяснению первичной структуры высокомолекулярных р. РНК начаты в 1974 г. К настоящему времени раскрыты первичные структуры более сотни 16– 18 S р. РНК и некоторых 23– 29 S р. РНК

Вторичная структура р. РНК • характеризуется спирализацией самой на себя полирибонуклеотидной цепи за счет взаимодействия комплементарных оснований, в результате в молекуле возникает различное число биспиральных участков (> в 5 S и 5, 8 S и < в 16– 18 S р. РНК)

Третичная структура р. РНК • образуется за счет укладки плоскостных биспиральных и линейных участков молекул в более компактные структуры

Функциональная роль р. РНК • 16– 18 S и 23– 29 S р. РНК – являются структурной основой для формирования рибонуклеопротеинового тяжа, который дает начало 30– 40 S и 50– 60 S субчастицам рибосом – взаимодействуют с м. РНК и аминоацил-т. РНК – их участки распознаются белковыми факторами, принимающими участие в синтезе белка на рибосомах – могут контактировать друг с другом при образовании 70– 80 S рибосом из 30– 40 S и 50– 60 S субчастиц и формировании активного центра рибосомы • 5 S р. РНК участвует в связывании т. РНК с рибосомой за счет псевдоуридиловой петли

Информационные РНК

• 1958 г. А. Н. Белозерский, А. С. Спирин • 1962 г. , м. РНК выделена в свободном виде • Молекулярные массы м. РНК варьируют от нескольких сотен тыс. до нескольких млн. • Функция и. РНК – копирование генетической информации с ДНК и перевод ее в аминокислотную последовательность (и. РНК – матрица для синтеза белка)

• Моноцистронные и. РНК • Полицистронные и. РНК • Нуклеотидный состав крайне разнообразен

Первичная структура и. РНК • В составе и. РНК есть информативные, работающие как матрицы в процессе биосинтеза белка, зоны и неинформативные участки

Неинформативные участки и. РНК • Полиадениловые фрагменты длиной от 50 до 400 нуклеотидных остатков (кроме гистоновых и. РНК) на 3 -конце, которые – участвуют в процессе созревания и. РНК – предопределяют время жизни и. РНК – способствуют переносу ее из ядра в цитоплазму – принимают участие в трансляции

Неинформативные участки и. РНК • Небольшие повторяющиеся последовательности по 30 нуклеотидных остатков, располагающиеся неподалеку от полиаденилового фрагмента и необходимые для взаимодействия и. РНК с рибосомой или отдельными белковыми факторами

Неинформативные участки и. РНК • Кэп на 5 -конце – нуклеотидная последовательность, азотистые основания в которой метилированы, а один из нуклеотидных остатков – 7 -метил. Г, присоединен через трифосфатную группировку • Кэп нужен – для защиты и. РНК от экзонуклеаз – для связывания белковых факторов при взаимодействии с р. РНК – Играет сигнальную роль присоединении и. РНК к рибосоме – участвует в трансляции

• Информативный фрагмент (транслируемый) начинается с АУГ или ГУГ на 5 -конце и заканчивается УГА, УАГ или УАА на 3 -конце • АУГ или ГУГ соответствует антикодон формилметионил-т. РНК; УАА, УГА и УАГ являются терминирующими трансляцию кодонами

Вторичная и третичная структуры и. РНК • • Вторичная структура полностью не выяснена, но известно, что полинуклеотидная цепь и. РНК спирализована сама на себя О третичной структуре и. РНК известно только то, что она менее компактна, чем у р. РНК

Вирусы

Вирусы… • • • частицы, построенные из одной или нескольких молекул нуклеиновой кислоты и нескольких белков, иногда некоторых других дополнительных компонентов, например, фосфолипидов Вне клеток никаких признаков жизнедеятельности не проявляют Однако, проникая внутрь клеток, с помощью своей нуклеиновой кислоты перепрограммируют работу клетки и в ней начинается размножение вирусной нуклеиновой кислоты и производство вирусных белков

• • • Процесс, как правило, завершается формированием зрелых частиц вируса и разрушением плазматической мембраны клетки, после чего вышедшие наружу вирусы получают возможность инфицировать новые хозяйственные клетки Существуют вирусы, паразитирующие в растительных и животных клетках, в том числе в клетках человека, вызывая различные вирусные заболевания Вирусы могут паразитировать и на бактериальных клетках (бактериофаги)

• Зрелая вирусная частица (вирион) состоит из одной или нескольких молекул нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), которая может быть одно- или двухцепочечной, линейной или кольцевой; и белковой оболочки – капсида, который имеет спиральную (палочки) или икосаэдрическую форму

Синтез белка (трансляция)

Матричная теория • • предусматривает: Перенос информации из ядра (от ДНК) в цитоплазму к рибосомам в виде нуклеотидной последовательности м. РНК в процессе транскрипции Активацию аминокислот и перенос активированных аминокислот на полисомы (рибосомы) с помощью транспортных т. РНК Синтез пептидных связей – трансляцию

Активирование аминокислот

Перенос активированных аминокислот на т. РНК

Инициация синтеза белка

Элонгация синтеза белка

Терминация синтеза белка