Определение молекулярной биологии Молекулярная биология - это наука о механизмах хранения, воспроизведения, передачи и реализации генетической информации, о структуре и функциях нерегулярных биополимеров – нуклеиновых кислот и белков.
1938 г. первая ренгенограмма ДНК Британский физик Вильям Астбери вместе с Флоренс Белл получил первую рентгенограмму ДНК. Они установили, что расстояние между нуклеотидами 3. 4 Å и они уложены стопкой и что ДНК – это длинная полимерная цепь.
1951 г. разделение форм ДНК Английский физик Розалинд Франклин, работающая вместе с группой Мауриса Уилкинса получила четкие ренгенограммы А и В-форм ДНК Розалин д Франкли н Маурис Уилкинс А-форма ДНК В-форма ДНК «Фото-51»
Азотистые основания ДНК Пуриновые Адени н Гуани н Пиримидинов ые Тими н Цитози н
Дезоксирибонуклеозиды Дезоксири боаденозин богуанозин Дезоксири ботимидин Дезоксири боцитидин
Комплементарные основания
Свойства спирали ДНК 1. Двойная спираль 5’ 2. Цепи полярны 3’ 3. Цепи антипараллельны 4. Цепи комплементарны 5. Большая и малая бороздки двойной спирали 3’ 5’
Разнообразие функциональных групп азотистых оснований в бороздках ДНК
Формы ДНК Диамет р спирал и вправо 11 2, 3 нм вправо A Закруч Пар енность нуклео тидов на виток спирал и 10, 5 2, 0 нм 12 1, 8 нм B Z влево
Функции ДНК o o Информационная n Хранение информации о белках n Хранение информации о РНК Структурно-генетическая n Поддержание целостности генома (теломеры) n Распределение хромосом при делении клеток (центромеры) n Поддержание генетического разнообразия за счет рекомбинации (повторы) Регуляторная n Сайты связывания регуляторных белков (факторов транскрипции) Сигнальная n Сигнал о наличии инфекционного агента
Репликация ДНК – процесс синтеза ДНК на матрице ДНК Электронная микрофотография участка репликации ДНК
Этапы репликации ДНК и любого другого биополимера o o o Инициация Элонгация Терминация
Репликация ДНК у прокариот o Модельные прокариотические организмы, на которых хорошо изучен механизм репликации ДНК – это Escherichia coli (кишечная палочка) и Bacillus subtilis (сенная палочка)
I. Инициация репликации o Репликация ДНК инициируется на определенных участках, называемых ori репликации (участки начала репликации)
Последовательнос ть событий в инициации репликации
II. Элонгация репликации o o o Синтез дочерних цепей ДНК на матрице родительских цепей Необходима затравка (РНКпраймер) Синтез идет в обе стороны от участка инициации репликации Синтез идет в направлении 5’ 3’ Лидирующая цепь и отстающая (запаздывающая) цепь
ДНК-хеликазы – гомогексамерные белковые комплексы АТФ-зависимо расплетающие двойную спираль ДНК На «расплетание» , т. е. разрыв водородных связей одной пары ДНК тратится энергия гидролиза 2 молекул АТФ
Из-за работы ДНК-хеликаз в ДНК накапливается напряжение, которое ведет к появлению супервитков
ДНК-топоизомераза I снимает напряжение в ДНК, внося разрыв в одну цепь ДНК Гидроксильная группа тирозина в активном центре ДНКтопоизомеразы I атакует фосфодиэфирную связь. Цепь разрывается. Цепи вращаются друг относительно друга, снимая напряжение. Фосфодиэфирная связь восстанавливается. Фермент уходит.
SSB-белки стабилизируют одноцепочечное состояние матричных цепей ДНК SSB-белки связываются в основном с сахарофосфатным остовом ДНК и тем самым не мешают работе ДНК-полимеразы и других ферментов
β-субъединица ДНК-полимеразы III необходима для непрерывного и быстрого синтеза новой цепи ДНК Гетеродимер, который будучи загруженным на ДНК, обхватывает ее кольцом
Цикл загрузки фактора процессивности ДНК-полимеразы III на ДНК
ДНК-полимераза III синтезирует основную часть ДНК Две ключевые активности: 5’ 3’ полимеризующая 3’ 5’ корректирующая (экзонуклеазная)
Синтез ДНК происходит в направлении 5’ 3’
События в активном центре ДНКполимеразы III при синтезе и редактировании ДНК 5’ 3’ полимеризующ ая активность 3’ 5’ корректирующ ая (экзонуклеазна я) активность
Субъединичная структура комплекса ДНК полимеразы III Субъединица α (кодируется геном dna. E) обладает полимеразной активностью. субъединица ε (dna. Q) имеет 3'→ 5' экзонуклеазную активность. θ (hol. E) стимулирует активность субъединицы ε субъединица Субъединица β (dna. N) – фактор процессивности. Субъединица τ (dna. X) - димеризация ДНК-полимеразных комплексов. Субкомплекс γ (также dna. X) погрузчик фактора процессивности на отстающей цепи. Состоит из 3 субъединиц δ' (hol. B). γ, одной δ (hol. A), и одной
Лидирующая и отстающая (запаздывающая) цепи ДНК Синтез ДНК идет только в направлении 5’ 3’, поэтому удобно копировать лидирующую цепь (3’— 5’): как только матрица высвобождается за счет работы хеликаз тут же можно копировать этот участок, синтез идет непрерывно, чтобы копировать противоположную цепь надо двигаться в обратном направлении и по мере расплетения ДНК хеликазами постоянно появляются новые участки, которые надо копировать. Копирование 5’— 3’ цепи (отстающей) идет с отставанием и фрагментами.
ДНК-полимераза I синтезирует фрагменты отстающей цепи Три ключевые активности: 5’ 3’ полимеризующая 5’ 3’ экзонуклеазная (удаление РНКзатравок) 3’ 5’ корректирующая (экзонуклеазная)
Схема синтеза отстающей цепи Рейджи Оказаки
Электронная микрофотография элонгирующего комплекса репликации ДНК
Схема структуры элонгирующего комплекса в репликации ДНК
III. Терминация репликации В присутствие белка Tus: разборка вилок на одном из сайтов связывания этого белка Происходит ли столкновение двух вилок репликации ? Репликационная вилка идущая против часовой стрелки терминирует преимущественно на Ter. A сайте, E и D – это запасные остановки, вилка по часовой стрелке терминирует на Ter. C, B, F, G – запасные остановки. Скорее всего нет, они плавно расходятся
Топоизомераза II разделяет реплицированные ДНК Схема структуры топоизомеразы II Суть процесса: двуцепочечный разрыв в одном из дуплексов (G), перемещение второго дуплекса (T) через этот разрыв и соединение концов первого дуплекса (G)
Репликация ДНК у эукариот I. Инициация репликации
II. Элонгация репликации Синтез идет в направлении 5’ 3’
Фактор процессивности ДНКполимеразы эукариот (PCNA)
III. Терминация репликации Специальных участков терминации репликации нет. Синтез на линейных фрагментах ДНК идет до конца, пока элонгирующий комплекс не «свалится» с ДНК. Синтез run-off.
Свойства процесса репликации ДНК o o o o o 1. Инициируется на участках ori репликации 2. Основан на комплементарности оснований 3. Полуконсервативный механизм 4. Синтез в одном направлении, 5’->3’ 5. Ведущая и отстающая цепи 6. Прерывистый синтез отстающей цепи 7. Требует затравку 8. Высокая точность (частота ошибок от 10^-8 до 10^-10) 9. Высокая скорость синтеза ДНК 100 п. н. /сек у эукариот, 1000 п. н. /сек у прокариот
Парадокс соотношения скорости репликации ДНК и деления клеток у про- и эукариот Прокариоты: Escherichia coli: - длина генома ~ 4*10^6 п. н. o - расчетное время синтеза генома 4*10^6/(2*1000) = 2000 сек = 33 мин - среднее время деления клеток 25 мин o Эукариоты: дрожжи: - длина генома ~ 12*10^6 п. н. - расчетное время синтеза генома: 12*10^6/(2*100) = 60000 сек = 1000 мин - время деления клеток 90 мин. В 10 раз быстрее синтеза ДНК. Разве может клетка поделиться, когда синтез ДНК не окончен? o Эукариоты: человек: - длина генома 3*10^9 п. н. - расчетное время синтеза генома: 3*10^9/(2*100) = 1, 5*10^7 сек = 250 000 мин - время деления клеток 24 часа = 1440 минут. Более чем в 150 раз быстрее синтеза ДНК! Каким образом ДНК у эукариот синтезируется так быстро?
Проблема репликации концов линейных хромосом, теломеры, теломераза
Хроматин – комплекс ДНК и белков Нуклеосома – комплекс ДНК и октамера гистонов. Структурная единица хроматина эукариот.
Уровни организации хроматина, 3 D-геном
Скачать презентацию Определение молекулярной биологии Молекулярная биология — это наука
Семинар 1.0 биохимики.ppt