Лекция 4. Матричные биосинтезы

доцент Суменкова Дина Валерьевна
Структура наших ДНК – загадка жизни островка. Нет

дна и крыши, нет сторон, Все это жизни вечной трон. Все это Миг и Вдохновенье, нерукотворное круженье...

структуры ДНК - двойная спираль (журнал “Nature” "Структура ДНК" Д.

Уотсон и Ф. Крик)

В биологии начался новый отсчет времени – развитие молекулярной биологии

На этом пути сделаны серии блестящих открытий, большинство из которых отмечены Нобелевскими премиями

ДНК

Основа: правило Чаргаффа
и рентгенограммы Р. Франклин
и М. Уилкинса

1953 г –

публикация результатов
1962 г – Нобелевская премия
по физиологии и медицине

надеюсь, в небеса, - была разрекламирована с поистине выдающейся интенсивностью.

Она использовалась как эмблема, ее рисовали на галстуках, она украшала фирменные бланки, ее устанавливали перед зданиями.... Она даже вторглась в высокие формы изящного искусства" .

Апрель 2018 г – 65 лет с момента открытия структуры ДНК
Какова роль молекулярной биологии в развитии современной медицины?

Е. Чаргафф

современной медицины Использование ДНК-технологий
выявление мутаций генов
выявление наследственных заболеваний
определение особенностей генома
установление родства
диагностика

бактериальных и вирусных заболеваний
производство рекомбинантных белков, гормонов….
производство лекарственных препаратов – ингибиторов матричных биосинтезов в опухолевых и бактериальных клетках
расшифровка генома человека (международный проект под рук. Д. Уотсона, 1990-2003 г) с целью ранней диагностики и лечения заболеваний

лестница ДНК
Генная терапия – лечение путем введения в клетки пациентов

генов, устраняющих генные дефекты или придающие им новые функции
Первый клинический опыт
1990 г, США, 4-х летняя девочка с иммунодефицитным состоянием
Причина заболевания:
мутация гена аденозиндезаминазы → нарушение обмена нуклеотидов → нарушение пролиферации и созревания лимфоцитов
Лечение: пересадка собственных лимфоцитов с предварительно введенным in vitro ретровирусом, содержащим нормальный ген фермента

перепрограммировать клетку и изменить путь ее дифференцировки
Например, разработана технология получения

плюрипотентных стволовых клеток из фибробластов кожи человека с помощью генов Myc, Oct3/4, Sox2, Klf4 и их дальнейшая дифференцировка в кардиомиоциты
(Шинья Яманака, Япония, Нобелевская премия 2012)

транскрипции, трансляции
Использовать знания о матричных биосинтезах для понимания химико-биологической

сущности
процессов роста и развития организма
механизмов устойчивости организма к воздействиям внешней среды
механизмов действия противоопухолевых и антибактериальных препаратов
Использовать знания о матричных биосинтезах для формирования представлений
о принципах ДНК-технологий в диагностике и терапии
о механизме действия некоторых ядов и бактериальных токсинов
о генетических аспектах полиморфизма генов и белков, наследственных заболеваний и канцерогенеза

курса химии с использованием слайдов 10-18)
2. Репликация и репарация
3. Транскрипция
4.

Трансляция

- биополимеры
Мономер – нуклеотиды
Строение нуклеотида:
азотистое основание + пентоза + остаток

фосфорной кислоты

Азотистые основания (АО)

- 3′,5′ - фосфодиэфирная

Условные обозначения:

Х – водород в ДНК
или -ОН

в РНК

10 н.п.)
Цепи антипараллельны: 5′→3′ и 3′→ 5′
Водородные связи между АО

цепей
Стэкинг-взаимодействия (гидрофобные) между АО «в стопке»
Комплементарность цепей (А-Т, Г-Ц)
Правило Чаргаффа: А=Т, Г=Ц,
А+Т / C+G – характеристика вида

содержанием лиз и арг
5 типов: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4
Негистоновые

белки: белки и ферменты, участвующие в матричных биосинтезах
Роль белков: обеспечивают суперспирализацию и компактизацию ДНК
Нуклеосома
ДНК (≈146 н.п.) + 8 молекул гистонов (Н2А, Н2В, Н3, Н4)2
Структура удерживается ионными связями между лиз, арг и остатками фосфорной кислоты
Линкерные участки
Участок ДНК (≈30 н.п.) между нуклеосомами, с которым связаны молекулы гистона Н1

Гетерохроматин – «компактный» хроматин, транскрипционно неактивный
Эухроматин – деспирализованный хроматин с низким содержанием гистонов и высоким содержанием негистоновых белков (период транскрипции)

Чаргаффа
Виды РНК:
мРНК
матрица в синтезе белка
2-4% от общего количества РНК, разнообразная

первичная структура
5′ - «кэп»-конец: 7-метил ГТФ (защита от нуклеаз, участие в инициации трансляции)
3′ - поли(А)-«хвост»: 150-200 остатков АМФ (выход из ядра, защита от нуклеаз)

последовательность аминокислот в белке
15%
содержат
минорные нуклеотиды
(например,
метилированные АО)

у эукариот: 5S, 5,8S, 18S, 28S
S –

единица Сведберга,
скорость осаждения при центрифугировании

митозом
Стимулы: гормоны, ростовые факторы, белки-циклины
Матрица: обе нити ДНК, образуются 2

репликативные вилки
Направление синтеза новых цепей: 5′ - 3′ по принципу комплиментарности и антипараллельности
Участки синтеза – ориджины репликации
Участок ДНК между соседними ориджинами - репликон
Этапы репликации: инициация, элонгация, терминация
Субстраты и источники энергии: дАТФ, дГТФ, дТТФ, дЦТФ
Кофактор: Mg2+
Полуконсервативный процесс синтеза: каждая дочерняя молекула ДНК содержит одну родительскую нить и одну синтезированную
Образуется идентичная молекула ДНК (клетка 4n)

одной из цепей ДНК и присоединяется к 5′-концу в точке

разрыва

2. ДНК-хеликаза, используя энергию АТФ, разрывает водородные связи и обеспечивает локальное разделение двойной спирали ДНК

ДНК-топоизомераза восстанавливает 3′,5′-фосфодиэфирную связь и отделяется

SSB (single strand binding)–белки связываются с одноцепочечными участками, препятствуя комплементарному скручиванию цепей

5′ (синтез непрерывный по ходу движения репликативной вилки)
Отстающая цепь: 5′

- 3′ (рост этой цепи начинается после того, как на лидирующей цепи синтезируется участок из ≈200 нуклеотидов, синтез идет против движения репликативной вилки в виде фрагментов Оказаки)
Синтез цепей начинается с образования «затравки» (РНК-праймера из ≈10 нуклеотидов)
Ферменты:
ДНК-полимераза α синтезирует РНК-праймер и небольшой участок ДНК
ДНК-полимераза δ удлиняет лидирующую цепь
ДНК-полимераза δ или ε удлиняют отстающую цепь

удаляет РНК-праймер
ДНК-полимераза β заполняет «брешь»
ДНК-лигаза объединяет фрагменты, затрачивая энергию АТФ

внутренней среды
Повреждение ДНК происходит с частотой от нескольких сотен до

1000 случаев в каждой клетке, каждый час

Виды повреждений:
дезаминирование АО (цитозин превращается в урацил), метилирование АО
депуринизация, депиримидинизация
образование пиримидиновых димеров (действие УФО)
разрыв цепей, ковалентные сшивки между цепями
ошибки репликации
Система репарации – ферменты (нуклеазы, полимеразы, лигазы)

существованию 2-х цепей ДНК

Снижение активности ферментов репарации приводит к накоплению

мутаций
Полагают, что от 80 % до 90 % всех раковых заболеваний связаны с нарушением репарации ДНК
ПРИМЕР: пигментная ксеродерма – наследственное заболевание, связанное с мутацией генов системы репарации ДНК; УФО таких больных приводит к накоплению мутаций в клетках кожи и развитию рака

цикла
Матрица: нить ДНК 3′ - 5′
Субстраты и источники энергии: АТФ,

ГТФ, ЦТФ, УТФ
Направление синтеза: 5′ - 3′ по принципу комплиментарности и антипараллельности
Этапы: инициация, элонгация, терминация
Участвуют факторы инициации, элонгации и терминации – белки
Образуются комплиментарные матрице продукты: мРНК, тРНК, рРНК
Ферменты:
РНК-полимераза I (синтез пре-рРНК)
РНК-полимераза II (синтез пре-мРНК)
РНК-полимераза III (синтез пре-тРНК)

связывается РНК-полимераза
Сайт терминации – участок завершения синтеза РНК
Транскриптон – участок

ДНК ограниченный промотором и сайтом терминации

«Активация» промотора с помощью ТАТА-фактора
Взаимодействие промотора с РНК-полимеразой и факторами инициации
Факторы инициации обеспечивают расплетение двойной нити ДНК длиной в один виток (10 н.п.)

H, F) повышают активность РНК-полимеразы и облегчают расхождение цепей. Один

ген может одновременно транскрибироваться несколькими молекулами РНК-полимеразы
Терминация: прекращение транскрипции
Факторы терминации облегчают отделение пре-РНК и РНК-полимеразы от матрицы ДНК

после транскрипции
Сплайсинг – удаление интронов (некодирующих последовательностей) и соединение экзонов

Участвуют малые ядерные рибонуклеопротеины (мяРНП), образующие комплексы – сплайсосомы
Выход «зрелой» мРНК в цитоплазму
Альтернативный сплайсинг – механизм образования различных видов «зрелой» мРНК из одной и той же молекулы пре-мРНК в разных тканях
В результате в разных тканях при считывании информации с одного и того же гена образуются различные мРНК, а соответственно и различные белки

и антикодона
3. Выход зрелых тРНК в цитоплазму

мРНК
Субстраты: аминокислоты (АК) Адапторы: тРНК
Источники энергии: АТФ, ГТФ
Кофактор: Mg

2+ (стабилизирует структуру рибосом)
Факторы инициации (IF), элонгации (EF), терминации (RF)
Активация АК: связывание с тРНК (аминоацил-тРНК-синтетазы)
Инициирующая аминоацил-тРНК (аа-тРНК): мет-тРНК
Инициирующий кодон мРНК: AUG
Этапы: инициации, элонгации, терминации
Образуется колинеарный матрице продукт – белок (последовательность АК соответствует последовательности кодонов мРНК)
Биологический код: запись информации о последовательности АК в белке с помощью последовательности нуклеотидов
Из школьного курса биологии вспомните и объясните свойства биологического кода!

аминокислота)
Вырожденность (одна аминокислота может кодироваться несколькими разными триплетами)
Универсальность (для всех

живых организмов, независимо от уровня эволюционного развития)
Наличие терминирующих стоп-кодонов: UAA, UAG, UGA
Однонаправленность (триплеты «читаются» в направлении 5′ - 3′)
Колинеарность (последовательность АК соответствует последовательности кодонов мРНК)

инициации IF, мет-тРНК и ГТФ. Когда комплекс свяжется с кодоном

AUG, происходит присоединение большой субъединицы рибосомы, что сопровождается гидролизом ГТФ и отделением IF. Формируется полноценная рибосома с пептидильным (Р) и аминоацильным (А) центрами

А-центре при участии фактора элонгации EF1 и с затратой энергии

ГТФ
Образование пептидной связи между АК Р-центра и АК А-центра при участии пептидилтрансферазы
Перемещение рибосомы по мРНК (транслокация) в направлении от 5′- к 3′-концу с использованием энергии ГТФ и при участии фактора элонгации EF2
Многократное повторение стадий

UAA, UAG, UGA попадают в А-центр

Высвобождение полипептида при участии
факторов терминации

RF1, RF3 и энергии ГТФ

формирование пространственной структуры (II, III) при участии белков-шаперонов
Модификация аминокислот (гликозилирование,

фосфорилирование, ацилирование, метилирование……)
Образование дисульфидных связей (цистеин-цистеин)
Присоединение простетической группы (сложные белки)
Сборка протомеров в олигомерные белки (формирование IV структуры)

информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт

— РНК или белок (в процессе транскрипции и трансляции)
Механизмы регуляции экспрессии генов различны: компактизация ДНК, модификация ДНК и гистонов, привлечение факторов транскрипции и др.
Гены белков «домашнего хозяйства» экспрессируются с постоянной скоростью (конститутивные) и обеспечивают жизнеспособность клеток (например, гены ферментов энергетического обмена).
Стойкая репрессия транскрипции определенных генов в различных клетках обеспечивает формирование специализированных клеток, тканей и органов.
Адаптивная регуляция обеспечивает изменение скорости экспрессии генов в ответ на меняющиеся условия среды (индуцибельная экспрессия).

индукторов (стимулируют экспрессию)
корепрессоров (подавляют экспрессию)
Индукторы или корепрессоры стимулируют присоединение регуляторных

белков к регуляторным участкам ДНК
В качестве индукторов и корепрессоров выступают гормоны, ростовые факторы, продукты метаболических путей
Регуляторные участки ДНК:
Энхансер – «усилитель» транскрипции
Сайленсер – «тушитель» транскрипции

белка к энхансеру и вызывает экспрессию гена ФОСФОЕНОЛПИРУВАТКАРБОКСИКИНАЗЫ (ключевого фермента

синтеза глюкозы), что приводит к повышению уровня глюкозы в крови при голодании, стрессе и физической нагрузки
ХОЛЕСТЕРИН (как корепрессор) стимулирует присоединение белка-регулятора к сайленсеру и вызывает подавление экспрессии гена ГМГ-КоА-РЕДУКТАЗЫ (ключевого фермента синтеза холестерина), что приводит к снижению синтеза холестерина (поэтому чем больше холестерина поступает с пищей, тем меньше его синтезируется в печени)

(синтез мРНК)
Энтеротоксин возбудителя дифтерии ингибирует трансляцию, модифицируя фактор элонгации EF2

и нарушая транслокацию рибосом
Интерфероны (гликопротеины лимфоцитов и макрофагов, обладающие противовирусной активностью):
активируют РНК-азу, расщепляющую мРНК и рРНК
стимулируют синтез протеинкиназы, которая фосфорилирует и тем самым инактивирует фактор инициации трансляции IF2
прекращается синтез белков в инфицированных клетках человека, клетка погибает, но останавливается размножение вирусов

составьте конспект по вопросам:
1. Принцип метода полимеразной цепной реакции и

его применение в медицине.
2. Роль нерепарированных изменений ДНК (мутаций) в развитии биохимической индивидуальности человека (полиморфизме генов и белков), наследственных заболеваний и канцерогенезе.
3. Заполните таблицу «Лекарственные препараты – ингибиторы матричных биосинтезов» (см. следующий слайд).

белков и ферментов, функционирование которых является основой жизни
Регуляция данных процессов

лежит в основе адаптации
Нарушение данных процессов приводит к развитию заболеваний
Знания о нуклеиновых кислотах и механизмах матричных биосинтезов являются основой создания лекарственных препаратов, методов диагностики и терапии

М.: ГЭОТАР-Медиа, 2014. -768 с. (раздел 4)
2. Биологическая химия с упражнениями

и задачами: учебник / ред. С. Е. Северин. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 624 с. (С. 113 – 171, для выполнения самостоятельной работы п.1 и 2 С. 153-165)
3. Биохимия с упражнениями и задачами: учебник для студ. мед. вузов / ред. Е. С. Северин. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2010. - 384 с. (раздел 3, С. 54-79; для выполнения самостоятельной работы п. 1-3 С. 70, 73-77)
4. Биологическая химия: учебник для студентов медицинских вузов / А.Я. Николаев. – М.: Мед. информ. агенство, 2007. – 568 с.