Обмен нуклеотидов. Матричные биосинтезы презентация

Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК)
– это биополимеры (полинуклеотиды), состоящие из мононуклеотидов, соединённых фосфодиэфирными связями.
ДНК хранит наследственную информацию, т.е. информацию о первичной структуре белков данного организма, а РНК (мРНК, тРНК и рРНК) её реализуют, т.е. участвуют в синтезе белков

Функции РНК:
м-РНК является копией гена и матрицей (планом) для синтеза белка
т-РНК осуществляет транспорт аминокислот к месту синтеза белка и встраивает аминокислоту в полипептидную цепочку в соответствии с кодоном
р-РНК вместе с белками формирует рибосому – место синтеза белка

Строение мононуклеотида
азотистое основание
пентоза
остаток фосфорной кислоты
нуклеозид
НУКЛЕОТИД

Пуриновые основания нуклеиновых кислот

Пиримидиновые основания нуклеиновых кислот

Углеводы нуклеотидов (пентозы)
(РНК) (ДНК)
рибоза дезоксирибоза

Гидролиз нуклеопротеинов

Катаболизм пуриновых оснований
В норме содержание мочевой кислоты в крови 0,14-0,5 ммоль/л

Нарушения обмена пуринов

Ингибитор ксантиноксидазы

Распад пиримидиновых оснований

Особенности синтеза нуклеотидов
Синтез идёт из обычных простых предшественников (ак, углекислого газа и т.п.)
Синтезируются не отдельные азотистые основания, а сразу нуклеотиды
Синтезируются общие предшественники (для пуриновых нуклеотидов инозинмонофосфат – ИМФ, для пиримидиновых – уридинмонофосфат – УМФ)
Синтез протекает ферментативно, с большой затратой энергии

(фосфорибозил-пирофосфат)
Синтез пуриновых нуклеотидов

Происхождение атомов пуринового кольца

Синтез пуриновых нуклеотидов

Синтез пиримидиновых нуклеотидов
оротидинмонофосфат (ОМФ) уридинмонофосфат (УМФ)
глу-NH2

Синтез пиримидиновых нуклеотидов

Синтез дезоксирибонуклеотидов

Ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот

Нарушения обмена нуклеотидов
Нарушение синтеза пиримидинов – оротацидурия – дефект ОМФ-декарбоксилазы (недостаток синтеза пиримидиновых нуклеотидов, снижение синтеза нуклеиновых кислот)
Нарушения обмена пуринов:
– ксантинурия – дефект ксантиноксидазы (увеличение содержания ксантина в моче, возможно образование ксантиновых камней)
– подагра
– синдром Лёша-Нихана

основание
фосфодиэфирная связь
Первичная структура нуклеиновых кислот
основание
основание

Направление роста цепи
5'→3'
Поступающий нуклеотид
он х
х
х
Растущая цепь НК
Матрица – цепь ДНК
5'
5'
3'
3'
Принцип биосинтеза
НК

Биосинтез ДНК (репликация) является:
матричным (матрица – обе нити ДНК)
комплиментарным
фрагментарным (нити ДНК синтезируются в виде фрагментов, которые затем соединяются между собой)
полуконсервативным (в каждой из образовавшихся молекул ДНК одна нить исходная – материнская, а одна – вновь синтезированная – дочерняя)

Полуконсервативность биосинтеза ДНК

Особенности репликации
ДНК-полимеразы δ и ε не могут соединять между собой два мононуклеотида, а только достраивают имеющуюся нить
Синтез идёт только в направлении от 5´- к 3´-концу (т.е. в разных направлениях на разных нитях материнской ДНК)
Репликативная вилка движется только в одном направлении
Синтез ДНК начинается одновременно в нескольких точках (ориджинах репликации), участок ДНК между двумя ориджинами называется «репликон»

Этапы репликации
1. Инициация:
Топоизомераза находит точку начала репликации, гидролизует одну фосфодиэфирную связь и даёт возможность компоненатам репликативной системы разомкнуть нити ДНК и образовать репликативную «вилку», а затем вновь соединяет связь между мононуклеотиджами
Хеликаза разрывает водородные связи между нитями ДНК

Этапы репликации
ДНК-связывающие белки (SSB-белки) стабилизируют репликативную вилку, не давая восстанавливаться водородным связям между комплиментарными нуклеотидами
ДНК-полимераза α (праймаза) строит праймер («затравку») из 8-10 рибонуклеотидов и 40-50 дезоксирибонуклеотидов, а ДНК-полимераза δ достраивает нить из дезоксирибонуклеотидов на лидирующей нити, а ДНК-полимераза ε – на отстающей нити ДНК

Инициация репликации
ДНК-полимераза α
ДНК-полимераза δ
ДНК-полимераза ε

Ориджин репликации
репликон
Инициация репликации

2. Элонгация
ДНК-полимераза δ продолжает удлинять нить из дезоксирибонуклеотидов на лидирующей нити, а ДНК-полимераза ε – фрагменты (фрагменты Оказаки) на отстающей нити ДНК по мере движения репликативной вилки
Этапы репликации

Элонгация репликации
ДНК-полимераза α (праймаза)
ДНК-полимераза δ
ДНК-полимераза ε

Элонгация репликации

Терминация
ДНК-полимераза β (фермент репарации) удаляет праймеры и достраивает фрагменты ДНК
ДНК-лигаза соединяет фрагменты между собой
Этапы репликации

Функции ДНК-полимеразы β

Репарация ДНК

Вторичная структура ДНК

Строение нуклеосомы

Для биосинтеза РНК (транскрипции) необходимы:
МАТРИЦА – участок одной из нитей ДНК
– (транскриптон)
СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ:
– АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ
ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ БЕЛКИ
ДНК-зависимые РНК-полимеразы
I — для синтеза р-РНК
II — для синтеза м-РНК
III — для синтеза т-РНК
РЕГУЛЯТОРНЫЕ БЕЛКИ: факторы инициации, элонгации, терминации

Биосинтез РНК

Транскрибируемая нить
Нетранскрибируемая нить
РНК-полимераза
ДНК
пре-РНК (первичный транскрипт)
Биосинтез РНК
мононуклеотиды
Сайт терминации

Процессинг РНК
(1. сплайсинг)

м-РНК
7-метилгуанозин
полиаденилат
5'
3'
Процессинг
(2. модификация концов м-РНК)

Состав зрелой м-РНК

Вторичная структура р-РНК

Вторичная структура т-РНК
антикодон

Общая схема биосинтеза белка

Компоненты белоксинтезирующей системы
мРНК
20 Аминокислот
20 Аминоацил-тРНК синтетаз (АРС-аз)
Изоакцепторные тРНК
Рибосомы в виде полисом
Источники энергии (АТФ, ГТФ) и Мg2+
Белковые факторы регуляции: факторы инициации, элонгации, терминации
Специальные ферменты посттрансляционного процессинга полипептидной цепи

Ядерные стадии биосинтеза белка
Биосинтез мРНК (транскрипция)
Созревание мРНК (посттранскрипционный процессинг)

Функции т-РНК
Акцепторная: связывает аминокислоту и транспортирует её к месту синтеза белка
Адаптерная: встраивает аминокислоту на соответствующее место в образующемся полипептиде (за счёт взаимодействия антикодона в т-РНК с кодоном в м-РНК)

Строение т-РНК
антикодон

Таблица генетического кода

Характеристика генетического кода
Триплетность (1 аминокислота кодируется 3 нуклеотидами)
Специфичность (каждому кодону соответствует только 1 аминокислота)
Вырожденность (1 аминокислота может кодироваться более чем 1 триплетом)
Линейная запись (прочтение кода «без знаков препинания»)
Универсальность (одинаков для всех живых существ)
Наряду со значимыми есть и «бессмысленные» кодоны (терминирующие – УАА, УАГ, УГА)
Колинеарность (соответствие линейной последовательности кодонов гена и последовательности АК в кодируемом белке)

Колинеарность генетического
кода
Глу-тРНК

Цитоплазматические стадии биосинтеза белка
Активация аминокислот, или образование аминоацил-тРНК
Инициация
Элонгация
Терминация
Посттрансляционная модификация

Синтез аминоацил-тРНК

Рибосома эукариотов

Функции активной рибосомы
Связывание и удерживание белоксинтезирующей системы
Транслокация – перемещение м-РНК через рибосому каждый раз на один триплет
Замыкание пептидной связи между аминокислотами (каталитическая функция)

Функционирующая рибосома

Образование инициирующего комплекса

Инициация:
К малой субъединице рибосомы прикрепляется м-РНК
К инициирующему кодону прикрепляется Мет-т-РНК
К образовавшемуся комплексу присоединяется большая субъединица таким образом, что Мет-т-РНК оказывается в пептидильном центре, а в аминоацильном – кодон, соответствующий второй аминокислоте

Инициация трансляции

Элонгация:
В пептидильном центре находится Мет-т-РНК, а в аминоацильном – аа-тРНК, соответствующая второму кодону.
Мет отрывается от т-РНК и перебрасывается в аминоацильный центр
С помощью пептидилтрансферазы замыкается пептидная связь между карбоксильной группой Мет и аминогруппой второй аминокислоты (требуется энергия ГТФ и регуляторный фактор Т)
Происходит передвижение рибосомы по м-РНК на один триплет (транслокация)
В освободившийся аминоацильный центр входит аа-т-РНК, соответствующая третьему кодону и т.д.

ГТФ ГДФ+НР

Строение полирибосомы

Посттрансляционный процессинг
Модификация N-конца полипептидной цепи
Фолдинг (формирование пространственной структуры)
Химическая модификация (гидроксилирование, гликозилирование и др.)
Присоединение простетических групп (у гетеропротеинов)
Объединение протомеров при образовании олигомерных белков
Присоединение сигнальных пептидов для выхода белка из клетки

Регуляция биосинтеза
1: РНК полимераза, 2: Репрессор, 3: Промотор, 4: Оператор, 5: Лактоза, 6, 7, 8: гены, кодирующие лактазу.

Действие регуляторных белков

Регуляция биосинтеза
Энхансеры – участки ДНК, присоединение к которым регуляторных белков усиливает транскрипцию
Сайленсеры – участки ДНК, присоединение к которым регуляторных белков уменьшает транскрипцию

Амплификация

Типы генов в геноме
Структурные гены (кодируют белки)
Регуляторные гены:
Гены-регуляторы (регулируют работу структурных генов)
Процессинг-гены (регулируют посттранскрипционные и посттрансляционный процессинг)
Темпоральные гены (включают в работу структурные гены в ходе клеточной дифференцировки)

Клеточная дифференцировка

Классификация мутаций

Типы мутаций

Типы генных мутаций

Проявления мутаций

Механизмы увеличения числа и разнообразия генов в геноме

Механизмы увеличения числа и разнообразия генов в геноме
(кроссинговер)

Механизмы увеличения числа и разнообразия генов в геноме
(амплификация)

Полиморфизм белков –
изменение первичной структуры белка в пределах одного вида без изменения функций. В его основе лежит генетическая гетерогенность молекул ДНК.

Схема возникновения наследственных болезней

Биохимические проявления наследственных болезней