Обмен нуклеиновых кислот и нуклеотидов

• Нуклеиновые кислоты азотсодержащие соединения, состоящие из нуклеотидов; • В состав любого нуклеотида входят три обязательные компоненты: v азотистое основание v углевод v фосфорная кислота

Азотистые основания – циклические азотсодержащие соединения, обладающие оснóвными свойствами. Азотистые Пуриновые Аденин Гуанин основания Пиримидиновые Тимин Урацил Цитозин

Пуриновые основания

Пиримидиновые основания

Углеводы Рибоза Дезоксирибоза

Схема строения нуклеотида Азотистое - углевод - фосфорная основание кислота

Схема строения нуклеиновой кислоты азот. осн. - углевод – фосфат азот. осн. - углевод- фосфат азот. осн. - углевод – фосфат углевод фосфат азот. осн. - углевод – фосфат азот. осн- углевод – фосфат углевод фосфат азот. осн. углевод

рибоза – азот. осн. фосфат рибоза - азот. осн. фосфат рибоза-азот. осн. фосфат РНК д-рибоза- азот. осн. фосфат д-рибоза – азот. осн. фосфат ДНК

д -рибоза – азот. осн. фосфат д -рибоза – азот. осн. азот. осн. - д-рибоза фосфат д -рибоза – азот. осн. - д-рибоза фосфат азот. осн. - д-рибоза

Спаривание азотистых оснований Аденин Гуанин Тимин Цитозин

Модель ДНК

Биологическая роль нуклеиновых кислот В молекулах ДНК закодирована информация о строении всех белков организма, т. е. о последовательности расположения аминокислот в полипептидных цепях; l Ген – участок молекулы ДНК, содержащий информацию о строении одного белка; l Геном – совокупность всех генов молекул ДНК, содержащихся в составе ядра клетки; l РНК обеспечивают реализацию в клетке генетической информации и участвуют в синтезе белков. l

Биохимические основы хранения и реализации генетической информации Все виды переноса генетической информации основаны на матричном принципе.

Виды переноса генетической информации репликация ДНК транскрипция т-РНК и-РНК р-РНК трансляция белок

Репликация ДНК l l l Репликация ДНК – удвоение ДНК при участии ДНК-полимеразы, происходит в ядре в S-фазу клеточного цикла, предшествует делению клетки. ДНК-полимераза способна наращивать цепь ДНК только на 3′ – конце. Инициацию репликации регулируют сигнальные белки – факторы роста.

l l Стадии репликации: инициация – разрушение водородных связей и расхождение нитей ДНК (образование множества репликативных вилок) элонгация – удлинение дочерних нитей, исключение праймеров терминация – завершение образования двух дочерних цепей ДНК

Инициация l Начинается с расплетения участка ДНК → образуется репликативная вилка (с участием фермента геликазы). l У 3 -׳ конца закрепляется РНК-затравка (праймер), на другой нити закрепляется несколько праймеров.

Элонгация l синтез дочерней нити ДНК начинается с участка РНК-праймера → полимеризация мононуклеотидов, которые выстроились вдоль матрицы по принципу комплементарности с участием ДНКполимеразы, которая активируется РНКпраймером.

Считывание информации идет от 3´конца к 5´ концу (строится цепь 5´- 3´) – называется лидирующая. l На другой нити – полимеризация дезоксирибонуклетидов, строятся фрагменты Оказаки – отстающая нить. l

Репликация 3´ Лидирующая нить геликаза 5´ РНК-праймер вырезается РНК-праймер 3´ 5´ 3´ Отстающая нить фрагменты Оказаки 5´

Терминация l l l Праймеры вырезаются и происходит сшивка фрагментов ДНК-полимеразой. Образуется 2 ая спираль, которая образована материнской и дочерней нитями ДНК. Одновременно репликация идет в нескольких местах ДНК по всем направлениям – сайты репликации (ориджины).

Сайты (ориджины) репликации репликативная вилка

Понятие о теломерах и репликативной старости l l l На 5´- конце ДНК – особые участки, содержат частые повторы (ГГГТТА) – теломеры – роль стоп-сигнала при повторяющейся репликации. Теломеры не реплицируются → образованная нить ДНК всегда короче, чем её матрица (укорачивается при каждом репликативном цикле). После критического укорочения – клетка не делится (50 -60 раз делятся клетки в течении жизни человека).

Репликативная старость лежит в основе старения организма. У долгожителей – 80 -90 циклов деления. l Открыт фермент в эмбриональных клетках – теломераза – способен достраивать теломеры после репликации. l Введение стволовых клеток – высокий репликативный потенциал. l

Повреждения ДНК Структура азотистых оснований и нуклеотидов может искажаться как в ходе репликации, так и вне её (УФ-лучи, хим. агенты – Северин с. 157 -162). l Повреждения ДНК исправляются – репарация с участием репаративных семейств ферментов, которые вырезают поврежденные участки →образуется АП-сайт, в котором достраивается ДНК «правильными» азотистыми основаниями или нуклеотидами. l При врожденной недостаточности репаративных ферментов –мутация. l

Механизмы защиты ДНК от повреждений 1) 2) 3) 4) 5) Система репараций. Кодирующая часть генома (несущая информацию о белке) – 10% от всего генома (↓вероятность реализации мутации через белки). Не все мутации проявляются фенотипически. Апоптоз мутированных клеток. Мутации могут быть полезными.

l l l В репаративную систему входят: белки-ферменты узнающие ошибку белки- ферменты разрезающие в этом месте цепочку l ДНК-полимеразы достраивающие нить l ДНК-лигазы (сшивающие нить) завершающие репарацию.

Апоптоз – процесс естественной смерти l l клетки, морфологически проявляется прогрессирующей фрагментацией клеточных компонентов, включая ДНК Происходит гидролитический распад белков под действием протеаз, называемых каспазами и распад ДНК с помощью ДНКаз Эти ферменты не находятся в лизосомах, в отличии процессов, происходящих при некрозе, где работают лизосомальные ферменты

Контроль за структурой ДНК «Молекулярный полицейский» - белок Р 53 (кодируется геном p 53) l l v v v Активирует ферменты, разрушающие циклины (запускают репликацию) и дает время на работу ферментам репарации. Если дефект не устранен, вызывает гибель клеток путем апоптоза: биосинтез белков семейства Fos, Bax (активаторы каспаз - протеазы); биосинтез гликопротеида Fas/Apo 1 – рецептора для макрофагов и других клеток, уничтожающих остатки погибших клеток; биосинтез Bcl-2 – ингибитор каспаз (внутриклеточный белок, препятствует входу в цитоплазму клеток Са 2+, которые активируют каспазы).

l l l Все эти белки – маркеры апоптоза. При мутациях в гене р53 – апоптоз не включается, идет бесконтрольное деление клеток с поврежденной ДНК (раковая опухоль). Противоопухолевая терапия – активация апоптоза в опухолевых клетках путем повреждения их ДНК (химиотерапия – Северин, с. 543, с. 742 -747)

Транскрипция l l Транскрипция – перенос генетической информации от ДНК к м. РНК Переписывание генетической информации в виде последовательности дезокрибонуклеотидов в последовательность рибонуклеотидов

Биологическое значение : l l синтез м. РНК, которая выполняет роль матрицы для синтеза полипептида (белка) При транскрипции переписывается некоторый участок ДНК, называемый геном.

Транскриптон - участок матричной ДНК, с которой происходит процесс переписывания, то есть транскрипция l l Состоит из нескольких участков.

Структура транскриптона:

l l l Промотор – участок ДНК, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза Оператор - участок ДНК, к которому присоединяются различные белки, регулирующие скорость транскрипции Терминатор - стоп - сигнал, завершающий транскрипцию.

3 этапа транскрипции: инициация l элонгация l терминация l

Инициация транскрипции l l Распознается большая бороздка ДНК РНК-полимераза находит промотор в ДНК и взаимодействует с ним ДНК на этом участке начинает плавиться (расплетаются нити ДНК) Промотор содержит пары А-Т, поэтому плавится достаточно легко

Элонгация транскрипции (синтез РНК) Для элонгации необходимо: l рибонуклеотиды, служащие субстратом и источником энергии для этого процесса l фермент: ДНК-зависимая РНК- полимераза l в процессе элонгации мононуклеотиды во вновь синтезированной цепи РНК строго комплементарны мононуклеотидам матричной ДНК

Терминация транскрипции l достижение РНК-полимеразы стоп-сигнала и отсоединение синтезированной РНК

l l Созревание и процессинг м. РНК При синтезе м. РНК транскрибируется ДНК, в которую входят участки информационные и не несущие информации, причем их до 90% После транскрипции участки РНК неинформационные – интроны, вырезаются Остаются экзоны - информативные участки РНК Из ядра в цитоплазму выходит созревшая РНК.

Генетический код l Генетический код – запись информации о первичной структуре белка (последовательности АМК) в виде последовательности рибонуклеотидов в м. РНК.

Свойства генетического кода: l триплетность l специфичность l неперекрываемость l вырожднность l универсальность l коллинеарность l непрерывность

Трансляция l l Трансляция - передача генетической информации от м. РНК на белок Перевод информации с языка последовательности рибонуклеотидов на язык последовательности аминокислот.

Участники процесса: l l l м-РНК, выполняющая роль матрицы аминокислоты, выступающие в качестве субстратов ферменты, в основном пептидилтрансферазы т-РНК, являющаяся переводчиком АТФ – синтез полипептидной цепи идет с затратой энергии

l Процесс трансляции, также как и процесс транскрипции, связан с перемещением вдоль молекулы нуклеиновой кислоты, разница в том, что рибосома шагает на три нуклеотида, в то время как РНКполимераза - на один

т-РНК имеет вторичную структуру, в виде клеверного листа

l l l Антикодоновая петля обеспечивает взаимодействие с кодонами м-РНК Акцепторный стебель обеспечивает специфическое взаимодействие с аминокислотой (каждой аминокислоте соответствует своя т-РНК) Петли обеспечивают взаимодействие с рибосомами.

Схема биосинтеза белка

l l Аминоацил т-РНК входит в рибосому, комплементарно связываясь с кодоном м. РНК затем происходит реакция при которой аминокислотные остатки связываются друг с другом, а т-РНК удаляется

l Этапы трансляции: Рекогниция – узнавание т-РНК соответствующей аминокислоты и её присоединение (фермент аминоацил-РНК-синтаза) l Инициация – присоединение к малой субъединице рибосомы м-РНК, затем присоединение большой субъединицы рибосомы l l Элонгация – образование полипептида Терминация – остановка процесса в соответствии со стоп-кодоном.

l Регуляция синтеза белка Регуляция осуществляется на уровне транскрипции 1. Механизм включения-выключения (индукция-супрессия) l Белки, у которых регулируется скорость синтеза, являются индуцибельными l Белки, у которых не меняется скорость синтеза, являются конститутивными

l l Регуляторные белки – репрессоры, связываются с оператором в транскриптоне и препятствуют работе РНК-полимеразе Регуляторные белки – индукторы, связываются с оператором в транскриптоне и активируют работу РНК-полимеразы

2. Механизм усиления l существуют особые участки ДНК – энхансеры (10 -20 пар оснований), с которыми связываются БАВ, чаще стероидной природы, усиливающие транскрипцию. l Такой механизм работает при действии стероидных гормонов. l Если участки ДНК, связываясь с белками, обеспечивают замедление транскрипции – сайленсеры.

3. Механизм координированного усиления или ослабления биосинтеза l Активные формы кислорода связываются с участками ДНК, где находятся гены, кодирующие все антиоксидантные ферменты.

Управление биосинтезом белка в медицине l l Многие антибиотики и антибактериальные препараты – ингибиторы процессов транскрипции и трансляции в клетках бактерий. Эритромицин – ингибитор перемещения м. РНК в рибосоме. Тетрациклины – препятствуют взаимодействию м. РНК в рибосоме с аминоацил-т. РНК. Анаболики (синтетические андрогены) – усиливают биосинтез белка энхансерным механизмом.