Слайд 2Матричные биосинтезы
При биосинтезе белков и нуклеиновых кислот матрицей служат
нуклеиновые кислоты.
Матрица в ходе матричного синтеза не расходуется и
может использоваться многократно.
Слайд 3Существует три основных типа матричных биосинтезов.
Биосинтез ДНК (репликация ДНК)
с использованием в качестве матрицы уже существующих молекул ДНК.
Биосинтез
РНК на матрице ДНК (транскрипция).
Биосинтез белков с использованием в качестве матрицы и-РНК (трансляция).
Слайд 4Основной постулат молекулярной биологии
ДНК ⮀ РНК
→ белок
Обратная транскрипция
транскрипция
трансляция
Слайд 5Генетическая организация генома млекопитающих
Гаплоидный геном каждой клетки представлен 3,5*10 парами
оснований и состоит из 23 пар хромосом.
Это достаточно для
кодирования 1,5 мм пар генов.
В организме около 100 000 белков.
Это означает, что большая часть геномной ДНК не кодируется.
Слайд 6ДНК генома делят на:
Уникальные (неповторяющиеся) последовательности ДНК.
Они кодируют белки.
Повторяющиеся последовательности ДНК.
Составляют 20-30% генома. Высоко повторяющиеся последовательности транскрипционно неактивны.
Слайд 7Строение ДНК
Молекула ДНК среднего размера
имеет длину 4 см.
содержит 150 000 000
нуклеотидных пар.
Общая
длина ДНК в 23 парах
хромосом человека 1,5 м.
Первичная структура ДНК характеризуется
видовой специфичностью
Слайд 8Первичная структура ДНК:
порядок чередования дезоксирибонуклеотидов в полинуклеотидной цепи.
Мононуклеотиды связаны 3`-5` -фосфодиэфирными связями.
Слайд 9Вторичная структура ДНК:
Двойная спираль, которая удерживается за счёт водородных связей
между комплементарными азотистыми основаниями.
Слайд 10Хроматин –
комплекс белка
с ядерной
ДНК.
2/3 хроматина –белки.
1/3 хроматина – ДНК.
в хроматине содержится до 10% РНК.
Белки, связывающиеся
с ДНК делятся на 2 группы:
гистоны,
негистоновые белки.
Слайд 13Гистоны
Молекулярная масса 20 000.
Хроматин содержит 5 типов гистонов:
Н2А, Н2В, Нз,Н4 (нуклеосомные гистоны), Н1.
Нуклеосома -
фрагмент ДНК, взаимодействующий с комплексом гистонов.
Слайд 14
Гистоны Н1 связываются с
ДНК в межнуклеосомных участках
(линкерных последовательностях) и защищают эти участки от действия нуклеаз.
Слайд 16Негистоновые белки
регуляторные белки,
белки, участвующие в матричном биосинтезе.
Слайд 17Строение РНК
Первичная структура РНК:
порядок чередования
рибонуклеозидмонофосфатов
в полинуклеотидной цепи.
Вторичная структура
РНК:
За счёт водородных связей между
комплементарными азотистыми основаниями
образуются спирализованные
петли – «шпильки».
Слайд 18Гибридизация
Данный метод применяют для изучения видовой специфичности нуклеиновых кислот.
Метод основан на способности ДНК к денатурации при нагревании (80-90)
и ренатурации при последующем охлаждении.
Слайд 19Репликация
воспроизведение (удвоение) молекул ДНК в процессе деления клетки.
процесс
синтеза дочерней ДНК на матрице ДНК.
Структура
дочерней ДНК
аналогична
родительской ДНК.
Слайд 20Функции ДНК
сохранение
генетической информации,
воспроизведение
генетической информации,
реализация
генетической информации,
Слайд 21Механизм репликации ДНК– полуконсервативный.
В каждой дочерней молекуле
одна нить является
старой,
а другая – вновь синтезированной.
Слайд 22Постулаты Корнберга
(1955 г)
Для синтеза ДНК нужны нуклеозидтрифосфаты.
Реакция идёт
только в присутствии уже готовой ДНК, выполняющей роль матрицы.
Поскольку
в молекуле ДНК нуклеотидные остатки образуют пары А-Т и Г-Ц, в реакции расходуются одинаковые количества
dАТФ и ТТФ (стехиометричекий коэффициент m),
dГТФ и dЦТФ(стехиометричекий коэффициент n)
Требуется набор ферментов (реплисома).
Слайд 23Синтез нуклеиновых кислот происходит в ядре и митохондриях
Слайд 24Инициация репликации происходит в нескольких точках хромосомы.
Точки инициации репликации- ориджины
репликации.
Этапы репликации.
Инициация репликации.
Слайд 25Во время миграции репликативной вилки происходит разделение цепей родительской ДНК
с участием ДНК-хеликазы.
Слайд 26Далее действует раскручивающий белок.
Слайд 27ДНК-полимераза α катализирует синтез короткого (до 10 нуклеотидов) олигонуклеотида, то
есть праймера,
с которого начинается синтез ДНК.
Затем на конец одной цепи присоединяется ДНК-полимераза δ (дельта).
Расположение оснований в двух нитях не только комплементарно, но и антипараллельно.
Слайд 28Элонгация репликации –
репликация обеих материнских цепей ДНК и связывание друг
с другом фрагментов новообразованных цепей ДНК.
Обе дочерние молекулы сохраняют
связь с родительской.
Хромосома имеет форму вилки.
Обе цепи реплицируются одновременно, хотя имеют разное направление.
Рост дочерних цепей должен происходить в противоположных направлениях.
Синтез новых цепей идёт в направлении от 5`- к 3`- концу .
На одной репликативной вилке синтезируются непрерывная нуклеотидная цепь, на другой – фрагменты Оказаки, которые потом соединяются ДНК-лигазой.
Элонгация завершается отделением праймеров, формированием дочерней цепи ДНК.
Слайд 29Элонгация репликации
Терминация наступает, когда исчерпана ДНК-матрица.
Слайд 30После завершения репликации происходит метилирование нуклеотидных остатков вновь образованных цепей
ДНК.
На каждом конце хромосомы присутствует специфическая нуклеотидная последовательность (GGG
ТТА-теломерная ДНК). Это нужно для сохранения генетической информации.
С каждым клеточным циклом ДНК хромосом
будет последовательно укорачиваться.
Слайд 31Теломераза обеспечивает восстановление недореплицированных 5`-концов.
Слайд 32Схема удлинения 3`-конца
ДНК с
помощью РНК-содержащего фермента теломеразы.
Слайд 33Ферменты репликации
ДНК-топоизомераза (нуклеаза) разрывает цепь ДНК (3`-5`-фосфодиэфирную связь), а в
конце репликации зашивает надрезы.
ДНК-хеликаза расплетает двойную спираль ДНК.
Белки,
дестабилизирующие спираль, связываются с
одноцепочечной ДНК и предотвращают комплементарное скручивание матричных цепей.
Слайд 34ДНК-полимеразы
имеют цинк в активном центре,
для
реакции необходим магний.
ДНК-полимераза α синтезирует РНК (праймер, затравка) длиной
до 10 нуклеотидов.
ДНК-полимераза δ продолжает синтез новой непрерывной цепи в направлении от 5`- к 3`- концу (лидирующая цепь).
ДНК-полимераза α и ε ведут синтез фрагментов Оказаки на отстающей цепи. Каждый фрагмент Оказаки состоит из 100 нуклеотидов, содержит праймер, который удаляет ДНК-полимераза β.
ДНК-лигаза соединяет разрывы отстающей цепи ДНК.
Слайд 35Механизм действия ДНК-полимеразы
Слайд 36Расположение ферментов репликации
Слайд 38Репарация ошибок и повреждений ДНК
Молекула ДНК подвергается спонтанным (ошибки репликации)
и индуцированным повреждениям (УФО, радиация, химические вещества).
Снижение активности ферментов
репарации приводит к накоплению повреждений (мутаций) в ДНК.
Слайд 39Деградация и репарация ДНК
Дефектная область одной цепи ДНК может быть
исправлена по неповреждённой комплементарной цепи.
Одноцепочечные разрывы ДНК, вызванные ионизирующей
радиацией, может быть репарированы прямым лигированием или рекомбинацией.
Слайд 40Ферменты репарации
ДНК-N-гликозидазы обнаруживают и
удаляют повреждённые основания ДНК.
ДНК-инсертаза присоединяет основания
к дезоксирибозе.
Эндонуклеаза определяет
повреждения и гидролизует
3`-5`-фосфодиэфирную связь.
Экзонуклеаза находит место
разрыва цепи и удаляет
повреждённый участок.
ДНК-полимераза β
достраивает повреждённую
нуклеотидную цепь.
ДНК-лигаза соединяет
неповреждённый и вновь
синтезированный участки цепи ДНК.
Слайд 41Репарация ДНК по механизму вырезания нуклеотидов
Слайд 46Синтез ДНК на матрице РНК (обратная транскрипция)
Фермент обратная транскриптаза
(ревертаза, РНК-зависимая
ДНК-полимераза)
был обнаружен в 1970 году Балтимором и Теминым.
Слайд 47Сначала синтезирует
РНК-ДНК-гибрид.
Затем фермент РНКаза Н
удаляет РНК-цепь,
оставшаяся
ДНК-цепь
служит матрицей для
синтеза второй цепи ДНК.
Возникает двухцепочечная
ДНК-копия, содержащая
информацию, первично
представленную
в виде РНК-генома ретровируса.
Обратная
транскриптаза
Слайд 49Транскрипция-
синтез РНК на матрице ДНК.
т-РНК
р-РНК
и-РНК
РНК
– составляет 15%,
- молекулярная
масса 30 000, - существует несколько дней.
– составляет 2 - 5%, - молекулярная
масса 500 000, - существует недолго.
– составляет 80%, - молекулярная
масса 5 млн. , - существует несколько недель.
Слайд 50 т-РНК
ЦЦА конец соответствует месту присоединения АМК,
Псевдоуридиновая петля обеспечивает связывание
аминоацил-тРНК с поверхностью рибосомы.
Дигидроуридиновая петля – место для узнавания специфического
кодона.
Антикодон – специфичен и комплементарен кодону м-РНК.
Минорные основания в антикодоне играют роль в гибкости считывания согласно гипотезе неоднозначности соответствия.
Слайд 52Синтез идёт из нуклеозидтрифосфатов.
В синтезе участвует
ДНК-зависимая-РНК-полимераза.
Синтез РНК идёт в направлении от 5`к 3`-концу.
Фермент присоединяется к участку ДНК (промотору). На матрице ДНК комплементарно строится полирибонуклеотид, являющийся копией первичной структуры ДНК.
Слайд 53Промотор
РНК-полимераза связывается с одной цепью нативной молекулы ДНК в определённой
точке (промоторе), вызывая расплетение двойной спирали, где и происходит синтез.
РНК-полимераза
I участвует в синтезе пре-рРНК.
РНК-полимераза II - в синтезе пре-мРНК.
РНК-полимераза III - в синтезе пре-тРНК.
Слайд 54Транскрипция-
биосинтез матричных РНК.
Слайд 55Экспрессия генов (поток генетической информации)
включает транскрипцию и трансляцию.
Отличия транскрипции
от репликации:
не требует синтеза праймера,
использует не всю молекулу
ДНК, а отдельные её сегменты,
требует наличия одной из цепей ДНК в качестве матрицы, которая полностью сохраняется,
при транскрипции транскрибируются отдельные гены или группы генов, а при репликации кодируется вся родительская ДНК.
Слайд 56м-РНК
переносит информацию от ДНК в ядре до цитоплазмы, где
она соединяется с рибосомами и служит матрицей, на которой происходит
синтез белка,
короткоживущая,
локализована в ядре и цитоплазме,
одноцепочечная,
комплементарна одной из цепей ДНК
Слайд 57Расположение функциональных
участков на молекуле м-РНК
Слайд 58В транскрипции различают три фазы
инициация,
элонгация,
терминация.
Элонгация идёт в
направлении от 5`- к 3`- концу антипараллельно матричной цепи ДНК.
Активация
промотора происходит с помощью белкового фактора – ТАТА.
Транскриптон - участок ДНК, ограниченный промотором и сайтом терминации. У эукариотов в состав транскриптона входит один ген.
Слайд 60Посттранскрипционный процессинг- ферментативные превращения транскриптов, после чего они стают активными.
Процессинг
включает:
кэпирование,
сплайсинг,
полиаденилирование,
метилирование.
Слайд 61Посттранскрипционный процессинг м-РНК
Слайд 62Кэпирование
присоединение остатка
7-метилгуанозина
к 5`- концу молекулы и-РНК,
что защищает РНК
от ферментативного распада.
Слайд 63Полиаденилирование
присоединение
фрагментов АА УАА
к 3`- концу и-РНК
в ядре или цитоплазме.
Это облегчает выход
и-РНК из ядра
и
замедляет гидролиз в цитоплазме.
Слайд 64Сплайсинг генов
В ядре происходит сплайсинг генов – ферментативное присоединение
одного гена или части гена к другому, а также процесс
удаления интронов и соединения экзонов при синтезе м-РНК.
Слайд 66Эукариотические гены имеют фрагментарное строение: они состоят из нескольких значащих
участков (экзонов), разделённых нетранслируемыми вставками (интронами).
Экзон – участок гена, транскрипт
которого оказывается в зрелой м-РНК. Он кодирует участок цепи белка.
Интрон – вставочная последовательность в гене, которая транскрибируется, но вырезается до трансляции.
Слайд 67Система экзонов и интронов в гене
Слайд 68Сплайсосома координирует сплайсинг. Сплайсосома- комплекс малых ядерных РНК и белков
(малых ядерных нуклеопротеинов).
Регуляторные сигналы при транскрипции
Энхансеры повышают уровень транскрипции.
Силансеры
ослабляют уровень транскрипции.
Энхансеры и силансеры – участки в нетранскрибируемых последовательностях генома.
Рибозимы катализируют сам сплайсинг.
Слайд 70Посттранскрипционная модификация т-РНК
у т-РНК на 3`-конце формируется акцепторный участок,
а в средней части молекулы – антикодон.
Слайд 71Посттранскрипционная модификация пре-рРНК
В ходе посттранскрипционной модификации пре-рРНК и связывания со
специфическими белками образуется рибосома.
Слайд 72Рибосомы – нуклеопротеиды.
Рибосомы характеризуют по скорости их седиментации
в центрифужном поле, которая количественно выражается константой седиментации S ,
выражаемой в единицах Сведберга.
80 S – рибосомы эукариот. Они содержат равное количество белка и РНК.
70 S - рибосомы прокариот. Соотношение РНК : белок = 2:1.
Слайд 73Рибосома состоит из двух субчастиц (30 S + 50 S).
В
меньшей субъединице содержится 20 белков.
В большей содержится 30 белков.
На большой
субъединице находятся 2 центра: А и Р.
Слайд 75Полисома объединяет
4-5 рибосом
вместе с м-РНК.
Слайд 76Генетический код –
способ записи информации об аминокислотах с помощью нуклеотидов.
Слайд 78Свойства генетического кода.
Триплетность. Одна АМК кодируется тремя нуклеотидами.
Вырожденность.
Несколько кодонов кодируют одну и ту же АМК.
Однозначность и специфичность.
Каждому кодону соответствует одна АМК.
Неперекрываемость. Отсутствие знаков препинания. Считывание триплетов идёт без пропусков.
Универсальность.
Среди 64 кодонов – 3 кодона нонсенс (УАГ, УАА, УГА) бессмысленные.
Неоднозначность соответствия в считывании кодонов. Строгая комплементарность в двух первых буквах кодона, в случае же третьей буквы это необязательно.
Слайд 79Аминоацил-тРНК-синтетазы
имеют три центра связывания:
для АМК,
для т-РНК,
для АТФ.
Слайд 80Активация аминокислоты
Требуется:
аминокислота,
т-РНК,
АТФ,
ионы магния,
кодазы.
Комплекс аминоацил-тРНК
Слайд 82Схема образования аминоацил-тРНК
синтез белка на матрице РНК.
ДНК – код АТГ,
и-РНК – кодон УАУ,
т –РНК – антикодон АУГ.
Слайд 84Этапы трансляции
инициация,
элонгация,
терминация.
Слайд 85Инициация
Инициирующий кодон – АУГ.
Рост цепей идёт с N-конца.
Синтез начинается с
N-формилметионина.
Необходимые компоненты:
рибосомы,
инициирующий кодон,
инициаторная
аминоацил-тРНК,
факторы инициации (IF1, IF2, IF3),
ГТФ,
ионы магния.
Слайд 86Процесс формилирования предотвращает участие аминогруппы АМК в образовании пептидной связи
и обеспечивает синтез белка в направлении от аминогруппы к карбоксильной.
IF3 первым связывается с малой субъединицей рибосомы.
IF3 обеспечивает узнавание участка на м-РНК, куда присоединяется формилметионин-тРНК.
IF1 способствует связыванию формилметионин-тРНК с малой субъединицей рибосомы и присоединению к ней м-РНК.
IF2 способствует объединению большой и малой субчастиц.
Слайд 87Образование
инициаторного комплекса
Осуществляется путём
присоединения белковых факторов,
формилметионин-тРНК, ГТФ
к малой
субчастице рибосомы,
к которой комплементарно
антикодону
присоединяется м-РНК,
при участии
кодона АУГ.
После присоединения 50S
субчастицы рибосома становится
функционально активной.
Слайд 88Расположение функциональных центров на малой и большой субчастицах рибосомы
Слайд 89Элонгация трансляции
Необходимо:
т-РНК,
АМК,
ГТФ,
ионы магния,
рибосомы,
факторы
элонгации,
м-РНК
Слайд 90Формилметионин-тРНК поступает сначала на А-центр, а потом на Р-центр.
Участок
А получает другую АМК.
Для этого необходим ГТФ.
Рибосома делает «шаг» по м-РНК на один кодон.
Формилметионин переходит на А-участок с Р-участка. На А-участке происходит синтез пептидной связи под влиянием пептидилтрансферазы.
Рибосома перемещается на один кодон. Дипептид вновь переносится на Р-участок под влиянием пептидилтранслоказы.
На А-участок поступает третья АМК.
При перебросе в участок А дипептида образуется трипептид.
Слайд 93Главное событие транслокации – перемещение пептидил-тРНК
из А в Р-участок
рибосомы.
Антикодон тянет за собой кодон матрицы, приводя к
перемещению матрицы
на один триплет относительно рибосомы.
Слайд 94 Для синтеза одной пептидной связи
нужно 4АТФ:
2 АТФ - на активацию АМК и
2 ГТФ - на включение АМК т-РНК в А-центр и транслокацию.
Слайд 95Терминация
Необходимы:
рибосомы,
факторы терминации (3),
м-РНК,
терминирующие кодоны УАГ, УАА,
УГА.
От рибосомы отделяется белок, т-РНК, м-РНК.
м-РНК распадается до
рибонуклеотидов.
Слайд 97Синтез митохондриальных белков
2% клеточной ДНК находится в митохондриях.
Белки, синтезируемые
в митохондриях, нерастворимы и участвуют в организации структуры митохондрий.
Слайд 98Посттрансляционная модификация
формирование третичной и четвертичной структур – фолдинг (участвуют
шапероны),
ограниченный протеолиз.
присоединение коферментов, простетической группы,
гликозилирование, метилирование, гидроксилирование,
фосфорилирование,
образование дисульфидных связей.
Слайд 99Ингибиторы белкового синтеза
50% антибиотиков являются ингибиторами белкового синтеза,
20% -
антибиотиков ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот.
Репликацию нарушают антибиотики, химические яды, вирусы.
Слайд 100Ингибиторы репликации
Антибиотики (новобиоцин, митомицин)
Аналоги азотистых оснований и нуклеозидов (5-бромурацил, 5-фтордезоксиурацил)
Алкилирующие
агенты (иприт)
Мутагены (уретан, гидроксиламин, азотистая кислота и др.)
Слайд 101Ингибиторы синтеза нуклеотидов применяются при лечении
лейкозов,
опухолей,
вирусных заболеваний.
Они прекращают
репликацию ДНК
и деление клеток.
Слайд 102Аналоги нуклеозидов (ИДУ) применяют при лечении вирусных гепатитов.
ИДУ отличаются от
тимидина лишь тем, что у 5 углеродного атома метильная группа
заменена на атом йода.
Блокируется синтез ДНК.
Слайд 103Аметоптерин
структурный аналог фолиевой кислоты,
ингибирует дегидрофолатредуктазу,
конкурирует с фолиевой
кислотой за фермент, так как структурно похож на неё, но
коферментом быть не может.
Он ингибирует перенос одноуглеродных остатков, необходимых для синтеза нуклеиновых кислот, содержащихся в клетках белой крови и тем самым снижает их число, резко повышенное при ряде форм острого лейкоза.
Слайд 104Ингибиторы транскрипции
Антибиотики
Аналоги нуклеозидов (кордицепин, цитозинарабинозид)
Алкалоиды (винкристин, винбластин – противоопухолевые препараты)
Яды
и токсины
Слайд 105Ингибиторы трансляции
Антибиотики.
Тетрациклин тормозит связывание аминоацил-тРНК с А-центром
в рибосоме.
Эритромицин тормозит активность пептидилтранслоказы в процессе
трансляции,
Хлоранфеникол ингибирует пептидилтрансферазу.
Яды и токсины (дифтерийный токсин, токсины грибов).
Слайд 106Действие антибиотиков на белковый синтез
Слайд 107Наиболее чувствительны ткани в состоянии митоза (костный мозг, эпителий кишечника).
Наиболее
устойчивы - клетки ЦНС.
Если повреждаются соматические клетки, то они гибнут
или укорачивается срок их жизни.
В половых клетках изменения передаются по наследству.
Влияние облучения на синтез белков
Слайд 108При облучении активируется СРО
гибель клетки,
мутации,
торможение деления.
Слайд 109Действие на репликацию
мутации типа делеции,
нарушается связь ДНК
с гистоновыми и негистоновыми белками,
хромосомные аберрации,
тормозится репарация ДНК.
Слайд 110Влияние облучения на транскрипцию.
подавление активности ферментов транскрипции,
нарушение процессинга
РНК.
Влияние облучения на трансляцию.
тормозится сборка инициаторного комплекса,
происходит сборка белка
с изменённой первичной структурой,
появляются функционально неполноценные белки.
Слайд 111Мутации –
разнообразные изменения генома.
Мутагены – вещества, вызывающие изменения в
генах. Обычно зародыш с изменёнными генами организм матери отторгает (выкидыши
составляют 15% исходов беременностей).
Каждый человек несёт в геноме рецессивные мутации.
Наследственные заболевания среди новорожденных составляют 4-6%.
Слайд 113Точечные мутации –
в ДНК изменён
один нуклеотид.
Транзиция – изменение
последовательности
нуклеотидных пар.
АТ ГЦ.
Трансверсия (перевёрты).
АТ ТА.
Вставка нуклеотидов.
Делеция – выпадение нуклеотидов.
Слайд 114Антимутагены
в-каротин,
витамины А, С, Е,
селен
(чеснок,
макароны,
молоко,
морские продукты).
Слайд 115Генная инженерия –
прикладное направление молекулярной генетики, исследующее возможности и
способы создания лабораторным путём генетических структур и наследственно изменённых организмов.
Генная
инженерия подготавливает переход медицины на новый, более высокий уровень её развития и расширяет возможности профилактики и лечения многих заболеваний человека.
Слайд 116Цели генной инженерии
Генетическая модификация микроорганизмов для увеличения количества и
улучшения качества изначально вырабатываемого данным организмом продукта.
Перенос генов млекопитающих и
человека в микроорганизмы (бактерии, дрожжи) для синтеза с их помощью специфических белков (гормонов, вакцин, интерферона, ферментов).
Генетическая модификация высших растений для увеличения их продуктивности.
Генетическая модификация соматических клеток человека с наследственными заболеваниями.
Слайд 117Достижения генетической инженерии
С помощью бактерий синтезирован соматотропин, инсулин.
Воспроизведён синтез E.
Coli человеческого а-интерферона.
Получена безопасная вакцина против
ящура.
Слайд 118Синтез инсулина
при помощи методов
генной инженерии