Биосинтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот бактериями.

  • Нуклеопротеины – химия и биосинтез. Строение ДНК и РНК
  • ХИМИЯ НУКЛЕОПРОТЕИНОВ
  • Нуклеиновые кислоты — биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.
  • Нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (пентозы) и остатков фосфорной кислоты.
  • Свойства АО: гидрофобность, копланарность, поглощение УФ при 260 нм.

Биосинтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот бактериями.

Нуклеозид = АО + пентоза (рибоза или дезоксирибоза). Пентоза присоединяется N-гликозидной связью.

Свойства нуклеозидов: гидрофильность.

Нумерация атомов: в АО нумеруют 1, 2, 3 и т. д., в пентозе — 1/, 2/, 3/, и т. д.

  1. Нуклеотид = нуклеозид + 1–4 остатка H3PO4.
  2. Свойства нуклеотидов: кислотность, отрицательный заряд.
  3. Номенклатура:
АЗОТИСТОЕ ОСНОВАНИЕ НУКЛЕОЗИД (+ рибоза) НУКЛЕОТИД (+ фосфат)
Пурины

  • АДЕНИН
  • ГУАНИН
  • ГИПОКСАНТИН
АДЕНОЗИН*
ГУАНОЗИН
ИНОЗИН
АДЕНОЗИН монофосфат (АМФ)*;

  1. дифосфат (АДФ);
  2. трифосфат (АТФ).
  3. ГУАНОЗИН монофосфат (ГМФ), …
  4. ИНОЗИН монофосфат (ИМФ), …
Пиримидины

  • УРАЦИЛ
  • ЦИТОЗИН
  • ТИМИН
УРИДИН
ЦИТИДИН
ТИМИДИН (+дезоксирибоза)
УРИДИН монофосфат (УМФ), …
ЦИТИДИН монофосфат (ЦМФ), …
ТИМИДИН монофосфат (ТМФ), …
  1. * — если сахар дезоксирибоза — дезоксиАДЕНОЗИН, дАМФ.
  2. Биосинтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот бактериями. Биосинтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот бактериями.
  3. Биологическая роль нуклеотидов:
  1. являются универсальными источниками энергии в клетке (АТФ, ГТФ);
  2. являются активаторами и переносчиками мономеров в клетке (например, УДФ-глюкоза, ЦДФ-холин);
  3. являются аллостерическими регуляторами активности ферментов;
  4. входят в состав коферментов (НАД+, НАДФ+, ФАД, КоА- SH);
  5. циклические мононуклеотиды (цАМФ, цГМФ) являются вторичными посредниками действия гормонов и других сигналов на клетку;
  6. являются мономерами в составе нуклеиновых кислот.

СТРОЕНИЕ ДНК

Биосинтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот бактериями.

В ДНК входят 4 типа АО: А, Т, Г, Ц; сахар дезоксирибоза. Связь между нуклеотидами образуется с участием 3/-ОН-группы одного нуклеотида и 5/-остатком фосфорной кислоты другого (3/–5/-фосфодиэфирная связь). В результате молекула полинуклеотида приобретает направленность — у нее есть 3/-конец и 5/-конец.

Под первичной структурой ДНК понимают последовательность нуклеотидов в одной полинуклеотидной цепи.

Биосинтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот бактериями.

Вторичная структура ДНК
(1953 г., Д. Уотсон, Ф. Крик) — двойная спираль, построенная по принципам комплементарности (А — Т, Г — Ц) и антипараллельности (3/-концу одной цепи соответствует 5/-конец другой).

Силы, стабилизирующие двойную спираль: 1) горизонтальные водородные связи между АО (А = Т, Г ≡ Ц); 2) вертикальные «стейкинг»-взаимодействия между АО; 3) гидрофобные взаимодействия (АО обращены внутрь, к оси спирали, а полярные пентозы и фосфаты — наружу).

Силы, дестабилизирующие двойную спираль: электро-статические взаимодействия между отрицательно заряженными фосфатами: а) в пределах одной цепи; б) между цепями.

Поверхность двойной спирали имеет две спиральные бороздки — большую и малую. Белки связываются с ДНК в области большой бороздки, куда выступают АО.

Денатурация (плавление) ДНК — процесс расхождения нитей и формирования одноцепочечных молекул. Происходит при повышении температуры (около 70°С), при репликации и транскрипции (в отдельных участках). При постепенном снижении температуры наблюдается ренатурация.

Третичная структура ДНК — формируется только в связи с белками и служит для компактной упаковки ДНК в ядре. Белки, входящие в состав нуклеопротеинов:

  1. Гистоновые: богаты аргинином и лизином, имеют «+» заряд (основные). Связь с НК — ионная.

5 классов гистонов — Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4.

Уровни упаковки генетического материала:

  1. Нуклеосомный. Нуклеосома состоит из октамера гистонов (содержит 8 молекул гистонов — по два каждого класса, кроме Н1), вокруг этого ядра молекула ДНК делает 1,5–2 оборота.
  2. Соленоидный — обеспечивается гистоном Н1.
  3. Петлевой — в образовании петель принимают участие негистоновые белки.
  4. Уровень метафазной хромосомы — высший уровень спирализации хроматина.
  • Модификации гистонов (фосфорилирование, ацетилирование) приводят к уменьшению их заряда, в результате чего гистоны легче отсоединяются от ДНК, и она становится доступна ферментам репликации и транскрипции.
  • Функции ДНК: хранение, воспроизводство и передача по наследству генетического материала, экспрессия генов.
  • СТРОЕНИЕ РНК

Отличия от ДНК: по локализации (цитоплазма), по функциям (обеспечивает биосинтез белка), по размерам, по строению (содержит У вместо Т, сахар — рибоза). РНК бывает нескольких типов — иРНК, рРНК, тРНК, гяРНК (гетерогенная ядерная РНК), мяРНК (малая ядерная РНК).

Биосинтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот бактериями.

  1. Вторичная структура — всегда одна цепь (у тРНК — «лист клевера»).
  2. Третичная структура — у тРНК формируется самостоятельно и похожа на объемную букву L; у рРНК и иРНК образуется в связи с белками (рРНК+белок = рибосома, иРНК+белок = информосома).
  3. ОБМЕН НУКЛЕОПРОТЕИНОВ

Биосинтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот бактериями.

Схема переваривания и всасывания нуклеопротеинов в ЖКТ:

Как правило, экзогенные АО, нуклеозиды и нуклеотиды не используются в клетке для синтеза собственных нуклеиновых кислот. Они разрушаются до конечных продуктов и выводятся из организма.

  • Конечные продукты распада пиримидинов — β-аланин, β-аминоизомасляная кислота, NH3, CO2.
  • Конечный продукт распада пуринов — мочевая кислота.
  • Схема распада пуринов:

Биосинтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот бактериями.

Мочевая кислота содержит нерасщепленное пуриновое кольцо, поэтому плохо растворяется в воде.

Биосинтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот бактериями.

У человека мочевая кислота является конечным продуктом метаболизма и выводится с мочой.

БИОСИНТЕЗ НУКЛЕОТИДОВ

Существует 2 пути биосинтеза нуклеотидов в клетке.

Во-первых, путь повторного использования АО и нуклеозидов (не только экзогенных, но и образовавшихся в клетке в процессе репарации ДНК или при распаде «отработавших» РНК).

Наиболее активно протекает в клетках интенсивно размножающихся тканей (эмбриональных, регенерирующих, эпителиальных, опухолевых). Во-вторых, синтез de novo (из низкомолекулярных предшественников).

Пути повторного использования АО и нуклеозидов: наличие этих путей позволяет использовать синтетические аналоги пуринов и пиримидинов для химиотерапии опухолей и лечения вирусных инфекций (например, 5-фторурацил, меркаптопурин, ацикловир, АЗТ и др.). Такие препараты включаются клеткой в состав нуклеотидов, встраиваются в молекулу ДНК и вызывают цитотоксический эффект.

  1. Чаще используется для повторного использования пиримидинов (тимидинкиназа, цитидинкиназа).
  2. 2. Синтез нуклеотидов на основе готовых азотистых оснований больше характерен для пуринов и проходит в 2 этапа:
  3. а) образование активной формы рибозо-5-фосфата (фосфорибозилпирофосфата):

Биосинтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот бактериями.

  • б) взаимодействие ФРПФ с азотистым основанием:
  • De novo синтез пуриновых нуклеотидов

Особенностью синтеза пуринов de novo является то, что за основу берется рибозо-5-фосфат и на его основе формируется пуриновое кольцо. N-гликозидная связь формируется уже на ранних этапах синтеза.

Источником всех атомов азота для пуринового ядра являются аминокислоты (глицин, глутамин, аспартат). Источники атомов углерода: СО2 и формил-ТГФК (активная форма фолиевой кислоты, В9). Общим предшественником для адениловых и гуаниловых нуклеотидов является инозинмонофосфат (ИМФ).

  1. Ключевой фермент синтеза пуринов: амидотрансфераза.
  2. Регуляция:
  1. аллостерическая: избыток конечных продуктов (АТФ, ГТФ) ингибирует ключевой фермент; избыток пиримидиновых нуклеотидов его активирует;
  2. ГМФ ингибирует образование ксантиловой кислоты, а АМФ — аденилоянтарной;
  3. перекрестная: для синтеза АМФ требуется ГТФ, а для синтеза ГМФ требуется АТФ;

Наиболее распространенной формой нарушения обмена пуринов является подагра. Основная причина — повышение уровня мочевой кислоты в крови (гиперурикемия) и ее отложение в почках и суставах.

Причины: а) избыточный синтез пуриновых нуклеотидов (нечувствительность ферментов к регуляторам); б) дефект ферментов реутилизации пуринов;
в) патология почек (недостаточное выведение). Способствует избыточное потребление пуринов с пищей.

В лечении подагры используется аллопуринол — ингибитор ксантиноксидазы.

  • De novo синтез пиримидиновых нуклеотидов
  • В отличие от пуринов, при биосинтезе пиримидинов de novo вначале образуется пиримидиновое кольцо, а лишь затем к нему присоединяется рибозо-5-фосфат.
  • Источниками атомов для пиримидинового кольца являются глутамин, аспартат и СО2. Синтез начинается с образования карбамоилфосфата:
  • В отличие от карбамоилфосфатсинтетазы I, фермент синтеза пиримидинов использует амидный азот глутамина (а не свободный аммиак) и локализован в цитоплазме.
  • Ключевой фермент — аспартаткарбамоилтрансфераза.
  • Регуляция: избыток пиримидиновых нуклеотидов ингибирует ключевой фермент, а избыток пуриновых — активирует.
  • Образование дезоксирибонуклеотидов

Образование дезоксирибонуклеотидов, необходимых для биосинтеза ДНК, происходит на уровне нуклеозиддифосфатов. С участием специального белка тиоредоксина фермент редуктаза восстанавливает 2/-ОН группу в рибозе и образуется дезоксирибоза. Затем:
дНДФ дНТФ синтез ДНК.

Биосинтез пуриновых нуклеотидов

Биосинтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот бактериями. Биосинтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот бактериями. Биосинтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот бактериями.

Пуриновые основания, образующиеся в процессе переваривания нуклеиновых кислот в кишечнике, в дальнейшем практически не используются, поэтому их синтез осуществляется из низкомолекулярных предшественников, продуктов обмена углеводов и белков. Впервые работами Дж. Бьюкенена, Дж. Гринберга экспериментально доказано включение ряда меченых атомов, в частности 15N- и 14С-глицина, 15N-аспартата, 15N-глутамина и др., в пуриновое кольцо мочевой кислоты. Скармливая птицам эти и другие меченые соединения, Дж. Бьюкенен анализировал места включения метки в пуриновое кольцо; полученные данные были в дальнейшем уточнены и подтверждены рядом других исследователей. Результаты этих исследований можно представить в виде схемы:

Биосинтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот бактериями.

Из схемы видно, что 4-й и 5-й атомы углерода и 7-й атом азота в ядре имеют своим источником глицин.

Два атома азота (N-3 и N-9) происходят из амидной группы глутамина, один атом азота (N-1) – из азота аспара-гиновой кислоты; углеродный атом (С-2) происходит из углерода N10-фор-мил-ТГФК, атом углерода в 8-м положении – из N5,N10-метенил-ТГФК и, наконец, углерод С-6 имеет своим источником СО2.

В настоящее время благодаря исследованиям Дж. Бьюкенена, Дж. Гринберга, А. Корнберга и сотр.

полностью расшифрована последовательность включения перечисленных веществ в пуриновое кольцо, установлена природа всех промежуточных соединений и ферментных систем, катализирующих химические реакции синтеза.

Интересным оказался факт почти полного совпадения путей синтеза пуриновых оснований в печени животных и у микроорганизмов, в частности у Е. coli и Neurospora crassa.

Следует, однако, отметить, что конечным результатом синтеза оказалось не свободное пуриновое основание, а рибонуклеотид – инозиновая кислота (ИМФ), из которой далее синтезируются АМФ и ГМФ. На схеме представлена последовательность всех 11 химических реакций этого синтеза с указанием ферментных систем, коферментов, источников энергии и других известных к настоящему времени кофакторов (см. с. 472).

Читайте также:  Систематика простейших. Принципы классификации простейших. Тип Sarcomastigophora. Тип Ciliophora. Тип Apicomplexa.

Как видно из приведенной схемы, синтез инозиновой кислоты начинается с D-рибозо-5-фосфата, который, как известно, является продуктом пентозофосфатного цикла и на который переносится в необычной реакции пирофосфатная группа АТФ.

Образовавшийся 5-фосфорибозил-1-пирофос-фат (ФРПФ) взаимодействует с глутамином, являющимся донором NH2-группы, в результате чего образуется β-5-фосфорибозил-амин, причем в процессе реакции наряду с освобождением пирофосфата и свободной глутаминовой кислоты происходит изменение его конфигурации (из α- в β-).

Таким образом, данная стадия становится ключевой реакцией в синтезе пуринов. На следующей стадии присоединяется вся молекула глицина к свободной NH2-группе β-5-фосфорибозил-амина (реакция нуждается в доставке энергии АТФ) с образованием глицинамидрибонуклеотида.

Затем, на следующей стадии, цепь удлиняется за счет присоединения формильной группы из N5,N10-метенил-ТГФК с образованием формилглицинамид-рибонуклеотида. На формильную группу последнего переносится далее амидная группа глутамина и синтезируется формилглицинамидинрибо-нуклеотид (реакция также идет с потреблением энергии АТФ).

На следующей стадии замыкается пятичленное имидазольное кольцо и образуется 5-аминоимидазолрибонуклеотид, который способен акцептировать СО2 с образованием рибонуклеотида 5-аминоимидазол-4-карбоновой кислоты.

Биосинтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот бактериями.

В последующем двухступенчатом процессе, в котором участвуют аспа-рагиновая кислота и АТФ, образуется 5-аминоимидазол-4-карбоксамид-рибонуклеотид и освобождается фумаровая кислота. В этих реакциях азот аспарагиновой кислоты включается в 1-е положение будущего пуринового ядра.

Последний углеродный атом пиримидинового остатка кольца пурина вводится в виде формильного остатка (источник N10-формил-ТГФК), который присоединяется к 5-NH2-группе. После этого отщепляется молекула воды и второе кольцо замыкается.

В результате образуется первый пу-риновый нуклеотид – инозиновая кислота (ИМФ), которая является предшественником пуриновых нуклеотидов в составе нуклеиновых кислот.

АМФ и ГМФ образуются из ИМФ, причем в синтезе обоих моно-нуклеотидов участвуют по два фермента, различных по своему механизму действия.

Образование ГМФ из ИМФ катализируют ИМФ-дегидрогеназа и ГМФ-синтетаза, а образование АМФ из того же предшественника катализируется последовательным действием аденилосукцинатсинтетазы и аденилосукцинат-лиазы.

Механизм двухэтапного синтеза АМФ и ГМФ можно представить в виде химических реакций.

Биосинтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот бактериями.

В ферментативном синтезе АМФ из ИМФ специфическое участие принимает аспарагиновая кислота, являющаяся донором NH2-группы, и ГТФ в качестве источника энергии; промежуточным продуктом реакции является аденилоянтарная кислота. Биосинтез ГМФ, напротив, начинается с де-гидрогеназной реакции ИМФ с образованием ксантозиловой кислоты; в аминировании последней используется только амидный азот глутамина.

Превращение АМФ и ГМФ в соответствующие нуклеозидди- и нуклео-зидтрифосфаты также протекает в 2 стадии при участии специфических нуклеозидмонофосфат- и нуклеозиддифосфаткиназ :

ГМФ + АТФ ГДФ + АДФ; ГДФ + АТФ ГТФ + АДФ.

Следует указать на существование в клетках весьма тонкого механизма регуляции синтеза пуриновых нуклеотидов. Синтез их тормозится конечными продуктами по принципу обратной связи, т.е. ингибированием первой стадии переноса аминогруппы глутамина на ФРПФ.

Фермент, катализирующий эту стадию, оказался аллостерическим регуляторным ферментом.

Вторая особенность механизма регуляции заключается в том, что избыток ГМФ в клетках оказывает аллостерическое торможение только на свой собственный синтез, не влияя на синтез АМФ, и, наоборот, накопление АМФ подавляет свой синтез, не ингибируя синтеза ГМФ.

Биосинтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот бактериями.

  • Предыдущая страница | Следующая страница
  • СОДЕРЖАНИЕ

Биосинтез нуклеиновых кислот

  • Министерство 
    по образованию Российской Федерации 
     
  • Кафедра органической химии   
     
  • Семестровая работа
  • по дисциплине:
  • «Основы биохимии»
  • на тему:
  •  «Биосинтез 
    нуклеиновых кислот»

                                              

         

     

  1. Волгоград 2010.

  2. Содержание 
  3. Введение                                                                                                                   3
  4. 1 Структура 
    нуклеиновых кислот
  5.    1.

    1 Первичная 
    структура          4

  6.    1.2 Дезоксирибонуклеиновые 
    кислоты       6
  7.    1.3 Рибонуклеиновые кислоты          8
  8. 2 Биосинтез нуклеиновых кислот

  2.1 Репликация                   10

   2.2 Транскрипция                                                                                            13

   2.3 Трансляция                          19

  • Заключение                   21
  • Список использованной литературы               22 
             Введение  
  •       Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды), биополимеры,  осуществляющие хранение и передачу генетической информации во всех живых организмах, а также участвующие в биосинтезе белков.

      Нуклеиновой кислоты открыты в 1869-1872 г. Ф. Мишером в ядрах (отсюда называется от лат. nucleus-ядро) клеток гноя и в сперме лосося. В 1889 г. Р. Альтман выделил их в чистом виде (им же предложен термин «нуклеиновой кислоты»). В 1944 О. Эйвери показал, что с помощью ДНК наследств.

признаки могут быть  переданы от одной клетки к другой и что ДНК, таким образом, является «веществом наследственности».

      Макромолекулярную структура ДНК (двойная спираль) установлена в 1953г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком на основании данных рентгеноструктурного анализа, полученных Р. Франклин и М. Уилкинсом. Нуклеотидный состав ДНК и РНК из многих объектов изучен Э. Чаргаффом и А. Н. Белозерским в 40-50-х гг.

      Изучение 
первичной структуры нуклеиновых кислот начато с середины 60-х гг. с установления нуклеотидной последовательности тРНК (Р. Холли). Функции большинства РНК установлены к началу 60-х гг. Было показано, что они участвуют в реализации генетической информации, закодированной в ДНК.

      Начиная с середины 70-х гг. создавались методы получения рекомбинантных нуклеиновой кислоты (образуются, напр., в результате встраивания участка ДНК, в т.ч. гена, в плазмиду), которые существенно расширили возможности структурно-функционального исследований Нуклеиновой кислоты и создали базу для использования достижений молекулярной биологии и генетики в биотехнологии.

       
1 Структура нуклеиновых кислот

       1.1 Первичная структура

       Нуклеиновая кислота представляет собой последовательность остатков нуклеотидов. Последние в 
молекуле нуклеиновой кислоты образуют неразветвленные цепи. В зависимости от природы углеводного остатка в нуклеотиде (D-дезоксирибозы или D-рибозы) нуклеиновой кислоты подразделяют соответственно на дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК) кислоты.

       В молекуле ДНК гетероциклы, входящие в остаток нуклеотида, представлены двумя пуриновыми основаниями – адeнином и гуанином, и двумя пиримидиновыми основаниями – тимином и цитозином; РНК вместо тимина содержит урацил.

Кроме того, в нуклеиновой кислоты в небольших количествах обнаруживаются модифицированные (в основном метилированные) остатки нуклеозидов – минорные нуклеозиды, которыми особенно богаты транспортные рибонуклеиновые кислоты (тРНК).

       Отдельные нуклеотидные остатки связаны между 
собой в полинуклеотидных цепях 3′-5′-фосфодиэфирными связями (рисунок 1). Стандартная запись нуклеотидной последовательности осуществляется в направлении от 5′-конца к 3′-концу (каждый нуклеотид обозначают буквой, присвоенной основанию, которое он содержит; например, последовательность приведенного участка ДНК записывается как ACGT).

       Свойства ДНК и РНК различны. Так, РНК легко расщепляется щелочами до мононуклеотидов (благодаря наличию группы 2′-ОН), в то время как полинуклеотидные цепи ДНК в тех же условиях стабильны. Это структурное различие определяет и меньшую устойчивость к воздействию кислот N-гликозидных связей (связь между гетероциклом и остатком рибозы) в ДНК по сравнению с РНК. 

Рисунок 1 — Структура нуклеиновых кислот

       
1.2 Дезоксирибонуклеиновые 
кислоты

       Нуклеотидный 
состав ДНК подчиняется ряду правил (правила Чаргаффа), важнейшее среди которых одинаковое содержание аденина и тимина, цитозина и гуанина у любой клеточной ДНК. Нуклеотидный состав РНК подобным правилам не подчиняется.

       Пространственная структура ДНК описывается как комплекс двух полинуклеотидных антипараллельных цепей (рисунок 2), закрученных относительно общей оси, так что углевод-фосфатные цепи составляют периферию молекулы, а азотсодержащие гетероциклы направлены внутрь (двойная спираль Уотсона-Крика). Антипараллельность полинуклеотидных цепей выражается в том, что на одном и том же конце спирали одна полинуклеотидная цепь содержит (незамещенную или замещенную) группу 5′-ОН, а другая 3′-ОН. Фундаментальное свойство двойной спирали ДНК состоит в том, что ее цепи комплементарны друг другу вследствие того, что напротив аденина одной цепи всегда находится тимин другой цепи, а напротив цитозина всегда находится гуанина. Комплементарное спаривание аденина с тимином и цитозина с гуанин осуществляется посредством водородных связей.

       Классическая двойная спираль Уотсона-Крика получила название В-формы ДНК. Она правозакрученная, плоскости гетероциклических оснований перпендикулярны оси спирали, а число пар остатков нуклеотидов на один виток спирали равно примерно 10; расстояние между витками 3,4 нм.

При изменении ионной силы и состава растворителя двойная спираль изменяет свою форму и даже может превращаться в левозакрученную спираль (Z-форму), которая содержит в одном витке около 12 остатков нуклеотидов.

При дегидратации В-формы образуется А-форма ДНК-правозакрученная двойная спираль, содержащая в одном витке около 11 остатков нуклеотидов, плоскости гетероцикличных оснований повернуты примерно на 20° относительно перпендикуляра к оси спирали.

Двойная спираль ДНК способна денатурировать (например, при повышении температуры) с полным расхождением комплементарных цепей, которые сохраняют способность к ассоциации с восстановлением (рекатурацией) двойной спирали при возвращении к исходным условиям. Подробно изучены также конформации фрагментов ДНК.

Рисунок 2– Двойная спираль ДНК (стрелками показано
направление полинуклеотидной цепи). 

       Установлено, что молекула ДНК в клетке представляет собой совокупность генов, регуляторных участков (последовательностей, связывающихся с регуляторными белками и управляющих уровнем экспрессии генов), районов, участвующих в организации генов в хромосомах, а также последовательностей, функции которых еще не известны.

       У прокариот (бактерии и синезеленые 
водоросли) ДНК организована в виде компактного образования – нуклеотида, который содержит всю хромосомную ДНК клетки длиной в несколько миллионов пар нуклеотидов (м.п.н.).

Кроме того, у многих прокариог и эукариот (все организмы, за исключением прокариот) обнаружены нехромосомные ДНК (плазмиды) размером от несколько тысяч пар нуклеотидов (т.п.н.) до несколько десятков т.п.н. (м.п.н. и т.п.н.

– принятые единицы длины двухцепочечной молекулы нуклеиновой кислоты).

       Многие ДНК образуют кольцевые структуры. В том случае, если обе полинуклеотидные цепи ДНК ковалентно непрерывны, ДНК может находиться в сверхспирализованной (сверхскрученной) форме. В клетках сверхспирализация осуществляется ферментами ДНК-гиразами.

       Хромосомные ДНК эукариот локализованы в клеточном 
ядре, где вместе с гистонами и 
негистоновыми белками образуют хроматин-нуклеопротеид, из которого организованы хромосомы. Размеры ДНК в отдельных эукариотических хромосомах колеблются в широких пределах от 103 до 105 т.п.н.

       Геномы 
многих вирусов бактерий (бактериофагов), животных и в более редких случаях растений представлены ДНК. Такие клеточные органеллы, как митохондрии и хлоропласты, имеют также свою собственную ДНК размером от нескольких десятков до нескольких сотен т.п.н.

       1.3 Рибонуклеиновые кислоты

       РНК, как правило, построены из одной 
полинуклеотидной цепи, характерный 
элемент вторичной структуры 
которой – «шпильки», перемежающиеся однотяжевыми участками (рисунок 3).

Шпилька – двутяжевая спиральная структура, образующаяся в результате комплементарного спаривания оснований (аденина с урацила и цитозина с гуанина).

Шпильки и соединяющие их однотяжевые участки РНК укладываются в компактную третичную структуру.

Рисунок 3 – Участок РНК бактериофага 

       Для тРНК вторичная структура имеет 
характерную форму, которую называют «клеверным листом». Известны редкие примеры целиком двуспиральных молекул РНК.

       Двуспиральные гибридные комплексы (ДНК и РНК) могут быть искусственно получены из комплементарных однотяжевых ДНК и РНК. Функционально активные РНК имеют размер от 70-150 до несколько тысяч нуклеотидных остатков.

       Известно 
несколько типов РНК. Рибосомные рибонуклеиновые кислоты (рРНК), связываясь с рибосомными белками, образуют рибосомы, в которых осуществляется синтез белка. Матричные рибонуклеиновые кислоты (мРНК) служат матрицами для синтеза белков (трансляции).

Транспортные рибонуклеиновые кислоты (тРНК) осуществляют связывание соответствующей аминокислоты и ее перенос к рибосомам.

Обнаружены так называемые малые ядерные РНК, участвующие в превращение первичных продуктов транскрипции в функционирующие молекулы; антисмысловые РНК участвуют в регуляции биосинтеза белка и репликации плазмидных ДНК.

       В виде РНК представлены геномы многих вирусов (РНК-содержащие вирусы), в которых матрицами для синтеза РНК служат вирусные РНК. Некоторые РНК обладают ферментативной активностью, катализируя расщепление и образование фосфодиэфирных связей в своих собственных или других молекулах РНК.

       2Биосинтез нуклеиновой кислоты

       2.1 Репликация 

 

     В основе биосинтеза нуклеиновых кислот, как и биосинтеза белков, лежит 
матричный принцип, т.е. новая молекула строится на ранее существующей как ее отпечаток, или реплика.

     В случае ДНК происходит удвоение числа 
молекул, и образованные молекулы являются точной копией материнских. Этот процесс 
носит название репликации. При репликации возникает еще одна проблема.

ДНК имеет двуспиральную структуру, в которой основания уже образуют комплементарные пары, а нити как бы намотаны одна на другую. Поэтому перед началом синтеза ДНК необходимо разделить нити и сделать основания доступными для образования новых пар.

Этот процесс требует довольно больших затрат энергии, поскольку структура двойной спирали ДНК поддерживается большим числом водородных связей.

     Расплетание ДНК в клетке осуществляют специальные ферменты, называемые хеликазами (от лат. helix – спираль). Такой фермент движется вдоль молекулы ДНК и разделяет ее нити.

Эти процессы осуществляются за счет энергии гидролиза АТФ, т.е. хеликазы являются также АТФазами.

Молекулы ДНК имеют большую длину, а хеликазы, передвигаясь вдоль них, расплетают лишь небольшой участок, поэтому две нити ДНК не расходятся полностью.

     Возникшие в результате однонитевые участки 
нестабильны. С одной стороны, они 
стремятся восстановить двунитевую структуру, а т.к. они комплементарны и связаны друг с другом, это 
может произойти легко и быстро.

С другой стороны, однонитевая ДНК может легко разорваться. Поэтому образовавшиеся однонитевые участки покрываются специальным белком, связывающимся только с однонитевой ДНК, защищающим ее и мешающим ей восстановить двуспиральную структуру.

Только после этого начинается синтез новой ДНК.

     Его проводит фермент ДНК-полимераза. Особенность этого фермента состоит в том, что он осуществляет присоединение новых нуклеотидов к концу уже существующей цепочки в том случае, если она связана с более длинной комплементарной цепью.

Но после расплетания ДНК образовались однонитевые участки, а концов, которые можно было бы удлинять, нет.

Поэтому перед началом работы ДНК-полимеразы специальный фермент синтезирует короткие молекулы РНК, служащие затравками, к концам которых ДНК-полимераза присоединяет нуклеотиды.

Биосинтез нуклеиновых кислот. В состав ДНК и РНК входит четыре основных нуклеотида: два пуриновых и два пиримидиновых. Для краткого изображения последовательности. — презентация

  • 1 Биосинтез нуклеиновых кислот
  • 2
  • 3
  • 4

5 В состав ДНК и РНК входит четыре основных нуклеотида: два пуриновых и два пиримидиновых.

Для краткого изображения последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах пользуются однобуквенным кодом. Запись осуществляют слева направо, так что первый нуклеотид имеет свободный 5'-фосфатный конец, а последний –ОН-группу в 3'-положении рибозы или дезоксирибозы.

Например, первичная структура ДНК может быть записана следующим образом: CGTAAGTTCG… Первичную структуру РНК записывают следующим образом: САUUAGGUAA…

6

7 Цепи молекулы ДНК не идентичны, но комплементарны друг другу: если известна первичная структура одной цепи, то последовательность нуклеотидов другой цепи задается правилом комплементарности оснований: А одной цепи соответствует Т, а С G в другой цепи.

Поэтому в молекуле ДНК количество адениловых нуклеотидов равно количеству тимидиловых нуклеотидов (А = Т), а количество гуаниловых равно количеству цитидиловых нуклеотидов (G = С).

Соотношение А + Т / G + С величина постоянная и является видоспецифической характеристикой организма (правило Чаргаффа).

8

9 Гистоны это небольшие белки с молекулярной массой от до Д и высоким содержанием лизина и аргинина. Четыре типа гистонов в количестве 8 молекул (по две каждого вида) образуют комплекс нуклеосомный кор.

Этот комплекс за счет ионных связей взаимодействует с отрицательно заряженными фосфатными группами участка ДНК длиной около 146 нуклеотидных пар (примерно полтора витка вокруг кора) и образует четковидную, компактную структуру, называемую нуклеосомой.

Между нуклеосомами находится участок ДНК длиной около 30 нуклеотидных пар линкерный участок, к которому присоединяется молекула гистона Н1. Негистоновые белки представлены множеством ферментов и белков, участвующих в синтезе ДНК, РНК, регуляции этих процессов и компактизации ДНК.

10 Основные виды РНК: матричные РНК (мРНК), или информационные, составляют 2– 4 % всей РНК клетки.

Они чрезвычайно разнообразны по первичной структуре и их количество соответствует числу белков в организме, так как каждая молекула мРНК является матрицей в синтезе соответствующего белка; транспортные РНК (тРНК) являются молекулами-адапторами, у которых к 3' концу присоединяется аминокислота, а к участку антикодона мРНК.

тРНК содержат 10–20% модифицированных или минорных нуклеотидов, в состав которых входят метилированные или восстановленные азотистые основания, нуклеотиды с С С связью между азотистым основанием и рибозой. Вторичная структура тРНК описывается структурой «клеверного листа». На долю тРНК приходится около 15% всей РНК клетки.

11 рибосомные РНК (рРНК) составляют около 80% всей РНК клетки и входят в состав рибосом.

В цитоплазматические рибосомы эукариотов входит четыре типа рРНК с разной константой седиментации скоростью оседания в ультрацентрифуге (КС), которая выражается в единицах Сведберга (S).

Комплекс большой и малой субъединиц рибосомы образует компактную частицу с КС 80 S. Митохондриальные рибосомы значительно мельче цитоплазматических рибосом (55 S) и их структура сходна со структурой рибосом у прокариотов.

12 Метод молекулярной гибридизации позволил установить следующие закономерности: – ДНК всех клеток одного организма идентична, а ДНК разных организмов одного вида обнаруживает очень высокое сходство, обеспечивая образование «совершенных гидридов»; – ДНК является видоспецифической характеристикой организмов: чем больше филогенетическая дистанция между видами, тем сильнее отличается строение ДНК из тканей особей этих видов; – ДНК, выделенная из тканей определенного организма, содержит информацию о структуре всех видов РНК данного организма.

13

14 Процесс синтеза ДНК включает стадии: инициации, элонгации и терминации. В ходе инициации происходит расплетение двойной спирали ДНК матрицы и образование репликативной вилки. Участвуют в этом процессе ферменты ДНК-топоизомераза 1, ДНК-хеликаза и белки, связывающиеся с одноцепочечными участками ДНК (SSВ-белки).

15

16 На стадии элонгации дочерние нити ДНК образуются на обеих нитях материнской ДНК. Этот процесс катализирует несколько ДНК-полимераз, которые синтезируют полинуклеотидные цепи из дНТФ в направлении от 5'- к 3'-концу на антипараллельной матрице, имеющей направление от 3'- к 5'- концу.

17 Новые цепи синтезируются неодинаково. На матрице ДНК с направлением от 3'5' концу цепь растет непрерывно по ходу движения репликативной вилки и называется лидирующей.

На матрице с направлением 5'-3'- концу вторая цепь синтезируется против движения репликативной вилки в виде коротких отрезков фрагментов Оказаки (по имени ученого, впервые обнаружившего их образование).

Рост этой цепи начинается, только когда на матрице ДНК появляется одноцепочечный участок длиной около 200 нуклеотидов (равный длине фрагмента Оказаки), поэтому ее называют запаздывающей, или отстающей.

18

19

20 Синтез начинается с образования праймера олигорибонуклеотида (РНК), включающего около 10 мононуклеотидов. Его образование катализирует праймаза субъединица, входящая в состав ДНК- полимеразы α.

Далее этот же фермент переключается на образование ДНК и включает во вновь синтезируемую нить около 60 дезоксинуклеотидов, после чего заменяется другими ДНК-полимеразами. Продолжают синтез лидирующей цепи ДНК-полимераза δ, а отстающей ДНК-полимераза δ или ε.

Оба фермента обладают экзонуклеазной активностью и в ходе синтеза могут исправлять допущенную ошибку и отщеплять неправильно включенный нуклеотид. Это обеспечивает высокую точность синтеза ДНК.

21 В отстающей нити каждый фрагмент Оказаки содержит около 200 нуклеотидов, включающих РНК-праймер и участок ДНК.

Праймер удаляется эндонуклеазой и РНКазой, а ДНК-полимераза β заполняет образующуюся «брешь» по принципу комплементарности, используя дНТФ в качестве субстратов.

ДНК-лигаза объединяет фрагменты в полинуклеотидную цепь. Кофактором всех стадий репликации является ион Мg2+.

22 В результате образуются дочерние цепи, комплементарные нитям материнской ДНК. После деления каждая дочерняя клетка получает диплоидный набор хромосом, идентичный материнской клетке.

23 Биосинтез РНК (транскрипция)

24 Синтез РНК на матрице ДНК называют транскрипцией.

Процесс катализируют РНК-полимеразы, которые образуют полирибонуклеотиды в соответствии с принципом комплементарности к матричной нити ДНК, в которой информация о структуре гена записана в направлении от 3'- к 5'-концу.

В ядре РНК синтезируются тремя ферментами: РНК- полимераза I катализирует образование рРНК, РНК- полимераза II синтез мРНК, а РНК-полимераза III образование тРНК.

25

26 Все РНК-полимеразы осуществляют рост новых цепей РНК в направлении от 5'-3'-концу на антипараллельной матрице. Процесс транскрипции включает стадии инициации, элонгации и терминации.

РНК-полимераза узнает место начала транскрипции промотор, имеющий специфическую последовательность нуклеотидов: –ТАТА. На стадии инициации к ТАТА-последовательности присоединяется белок ТАТА-фактор, который стимулирует связывание с ДНК РНК-полимеразы и факторов инициации транскрипции.

Образующийся комплекс вызывает расплетение двойной нити ДНК длиной в один виток спирали (около 10 нуклеотидных пар).

27 На этапе элонгации происходит синтез РНК в соответствии с информацией, содержащейся в гене ДНК, при этом факторы инициации удаляются, а фактор элонгации присоединяется. По мере движения РНК-полимеразы по нити ДНК к освободившемуся промотору присоединяются новые молекулы фермента, поэтому один ген может одновременно транскрибироваться несколькими молекулами РНК-полимеразы.

28 Этап терминации начинается, когда РНК- полимераза достигает специфической последовательности нуклеотидов сайта терминации, расположенного на конце гена. Фактор элонгации отделяется от РНК- полимеразы, а присоединяется фактор терминации, который облегчает отделение РНК- продукта и фермента от матрицы ДНК.

29 Посттранскрипционные модификации пре-РНК

30 Молекулы РНК, которые синтезируются РНК- полимеразами, функционально неактивны и являются молекулами-предшественниками, или пре-РНК. Они превращаются в зрелые молекулы только после соответствующих посттранскрипционных модификаций. Этот процесс получил название процессинга или созревания РНК.

31 Образование зрелых молекул мРНК начинается еще в момент синтеза РНК- полимеразой II новой молекулы на стадии элонгации. К 5'-концу растущей нити РНК с отщеплением ортофосфата присоединяется 5'-концом молекула ГТФ.

Затем основание гуанин в составе ГТФ метилируется с образованием 7-метил-ГТФ.

Эту необычную группу в составе мРНК называют «кэп» (колпачок или шапочка):7метил-G (5) ppp(5) X… Кэп защищает 5-конец мРНК от действия нуклеаз и узнается рибосомами в ходе инициации трансляции.

32 После того как пре-мРНК освобождается из связи с РНК-полимеразой поли(А)-полимераза на 3- конце молекулы синтезирует поли(А)-«хвост», состоящий примерно из 200 остатков АМФ и защищающий мРНК от расщепления РНКазами. Субстратом реакции является АТФ. Процесс получил название полиаденилирования.

33 Эукариотические ДНК имеют «мозаичное» строение, т. е. содержат участки, кодирующие последовательность аминокислот в отдельных доменах молекулы белка, экзоны, и участки, не содержащие информации о строении белка или РНК, интроны.

В ходе транскрипции получаются пре-РНК, содержащие участки комплементарные как экзонам, так и интронам. При созревании мРНК интроны удаляются, а экзоны соединяются между собой с высокой точностью с помощью комплексов из малых ядерных рибонуклеопротеинов сплайсосом.

Этот процесс получил название сплайсинга

34

35

36 10–15 % азотистых оснований модифицируется: урацил метилируется и образует тимин; двойная связь между С4 и С5 атомами урацила восстанавливается, давая дигидроурацил, остаток урацила, присоединенный к рибозе N-гликозидной связью, подвергается ротации и его связь с рибозой становится углерод-углеродной, возникает соединение, называемое псевдоуридин. к 3'-концу всех тРНК с помощью нуклеотидилтрансферазы последовательно присоединяется триплет нуклеотидов ССА, который необходим для связывания аминокислот. зрелые молекулы тРНК выходят из ядра в цитоплазму. Посттранскрипционные модификации тРНК

37 Пре-рРНК освобождаются из комплекса с ДНК в виде крупного транскрипта с константой седиментации 45 S. 1–2 % нуклеотидов этой молекулы метилируется по 2'- гидроксильной группе рибозы. Метильные группы служат маркерами для последующего расщепления пре-рРНК на более мелкие молекулы, включающиеся в субъединицы рибосом.

Так, 18 S рРНК формирует малую 40 S субъединицу рибосомы, а молекулы с КС 28 S и 5,8 S включаются в большую субъединицу рибосомы. Самая короткая 5 S рРНК кодируется отдельным геном, транскрибируется РНК-полимеразой III (ответственной за синтез тРНК) и затем поступает в 60 S рибонуклеопротеиновую частицу.

Посттранскрипционные модификации пре-рРНК

38 Субъединицы рибосомы и все зрелые мРНК и тРНК поступают в цитоплазму клетки и используются в синтезе белков.

39 Трансляция (биосинтез белка)

40 Декодирование информации о структуре белка, записанной в виде последовательности кодонов мРНК, возможно благодаря тРНК, выполняющим функции адапторов («приспособителей» аминокислот к кодонам мРНК).

В центре полинуклеотидной цепи этих молекул имеется антикодоновая петля, в которой находится триплет нуклеотидов антикодон, способный связываться с кодоном мРНК по принципу комплементарности и антипараллельности.

На 3-конце молекулы все тРНК имеют акцепторный триплет – ССА, к которому аминокислоты присоединяются α-СООН-группой.

  1. 41 Структура тРНК
  2. 42 Активация свободных аминокислот осуществляется при помощи специфических ферментов – аминоацил- тРНК-синтетаз – в присутствии АТФ. Этот процесс протекает в две стадии:
  3. 43 Аминокислота присоединяется к свободному концевому 3'-ОН-гидроксилу АМФ, который вместе с двумя остатками ЦМФ образует концевой триплет ЦЦА, являющийся одинаковым для всех транспортных РНК
  4. 44
  5. 45

46 Инициация начинается с присоединения в область «кэпа» к зрелой мРНК 40 S субъединицы рибосомы, инициирующей аа-тРНК (у эукариотов это всегда Мет- тРНК), факторов инициации и молекулы ГТФ. Образующийся комплекс скользит по мРНК вплоть до встречи с инициирующим кодоном AUG.

Когда антикодон Мет-тРНКМет связывается с кодоном AUG, комплекс останавливается, к нему присоединяется 60 S субъединица рибосомы, при этом ГТФ гидролизуется до ГДФ и Н3РО4, а факторы инициации удаляются.

Формируется полная 80 S рибосома с двумя активными центрами: Р-центром (пептидильным), в который оказывается включенной Мет-тРНК Мет, и А- центром (аминоацильным), в область которого попадает первый смысловой кодон мРНК.

47

48 Элонгация включает три последовательные стадии. 1. Связывание аа-тРНК в А-центре. К свободному А-центру присоединяется аа-тРНК, у которой антикодон комплементарен кодону мРНК, находящемуся в области этого центра.

Для того чтобы это событие стало возможным, в структуре рибосомы происходят конформационные изменения, требующие затраты энергии ГТФ и участия фактора элонгации EF1. 2. Образование пептидной связи.

Между α-NH2-группой аминокислоты, находящейся в Ацентре в составе аа-тРНК, и карбоксильной группой метионина или другой аминокислоты, входящей в растущую полипептидную цепь, которая присоединена к тРНК Р-центра, образуется пептидная связь.

Катализирует реакцию пептидилтрансфераза. Продуктом реакции становится удлиненная на одну аминокислоту пептидил-тРНК, расположенная в А-центре рибосомы.

49 3. Транслокация перемещение рибосомы по мРНК. Рибосома продвигается по мРНК на один кодон в направлении от 5'- к 3'- концу с использованием энергии ГТФ и при участии фактора элонгации еEF2.

В результате в рибосоме пептидил-тРНК из А- центра попадает в Р-центр, а в А-центре оказывается следующий кодон мРНК. тРНК, которая передала Мет или растущий пептид на аминокислоту аа-тРНК, на 2 этапе теряет связь с Р-центром и уходит в цитозоль клетки.

Рост полипептидной цепи белка продолжается за счет многократного повторения стадий

50

51 Терминация. Когда в А-центр рибосомы попадает один из стоп-кодонов мРНК: UАА, UАG, UGА, белковые факторы терминации RF1, RF3 узнают эти кодоны и освобождают вновь синтезированный пептид из связи с последней тРНК, субъединицами рибосомы и мРНК. Этот этап энергозависим и сопровождается гидролизом ГТФ.

Каждая рибосома на мРНК занимает участок длиной около 80 нуклеотидов. По мере продвижения рибосомы по мРНК к 3'-концу молекулы 5'-конец освобождается и к нему присоединяются новые рибосомы. Одновременно несколько рибосом могут синтезировать полипептидные цепи на одной и той же мРНК.

Комплекс мРНК с несколькими работающими рибосомами называют полирибосомой.

52 Полирибосомы бывают двух типов: свободные полирибосомные образования, плавающие в цитоплазме клеток и отвечающие за синтез внутриклеточных белков; связанные с эндоплазматическим ретикулумом (ЭР) и обеспечивающие синтез белков на экспорт.

53 Посттрансляционные модификации белков

54 фолдинг молекул. В процессе синтеза полипептидных цепей на рибосоме при участии белков шаперонов происходит формирование термодинамически наиболее выгодной пространственной конформации; образование дисульфидных связей между остатками цистеина.

Эта модификация имеет важное значение для проявления активности многих белков (инсулина, иммуноглобулинов, рибонуклеазы и др.

); частичный протеолиз, который имеет место при синтезе всех белков на экспорт и некоторых внутриклеточных белков; присоединение простетической группы, обеспечивающее образование сложных белков;

55 сборка протомеров в олигомерные белки, необходимую для образования молекул с четвертичной структурой; модификация аминокислотных остатков, свойственную многим белкам.

Так, фосфорилирование гидроксильных групп в остатках Сер, Тре и Тир, гидроксилирование остатков Про и Лиз в молекулах коллагенов; карбоксилирование остатков Глу в факторах свертывания крови II, VII, IХ, Х и др.

, метилирование остатков Арг и Лиз в молекулах гистонов; йодирование остатков Тир в белке щитовидной железы тиреоглобулине и т.д. являются необходимым этапом в синтезе и функционировании биологически активных молекул

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector