СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ДНК И РНК
Это полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.
Нуклеиновые кислоты- это полимеры, мономер (нуклеотид)
Нуклеотид = остаток фосфорной кислоты(фосфат) + азотистое основание (АГЦТ) + 5 членный сахар рибоза.
Сейчас известно 2 типа нуклеиновых кислот (ДНК и РНК)
ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА нуклеиновых кислот
Цепочка нуклеотидов, связанных 3’,5’- фосфодиэфирной связью
ДНК это 2 таких цепочки. Нуклеотиды содержат азотистые основания (АГТЦ)
РНК – это 1 такая цепочка
Нуклеотиды содержат азотистые основания (АУГЦ)
ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Две цепочки образуют ПРАВО-закрученную спираль.
(1 виток = 10 нуклеотидных пар)
Располагаются они антипараллельно, удерживаются друг возле друга за счет водородных связей.
Цепочки не идентичны друг-другу и направлены противоположными концами друг другу.
Однако располагаются друг напротив друга, так, что зная строение одной цепи можно сказать строение другой.
Это правило комплементарности. Мы знаем, что напротив нуклеотида с А стоит Т, напротив Ц – Г и наоборот.
Именно между ними образуются водородные связи, которые удерживают цепи.
РНК
Длинная нить РНК на своем протяжении может закручиваться в пространстве, образуя локальные небольшие спирали из двойных связей. Их называют шпильки.
Такие шпильки образуются за счет водородных связей между азотистыми основаниями А, У и Г.
ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
ДНК в комплексе с белками образует «месиво», получившее название – хроматин
Среди белков выделяют –
ü Гистоновые (H1 H2A H2B H3 H4) – это белки, на которые ДНК «наматывается» как провод на катушку.
Одна такая намотанная катушка содержит 1,75 витка ДНК и 4 шарика белка и называется нуклеосома
Нуклеосома = 1,75 витка ДНК + 4 гистоновых белка(нуклеосомный кор)
Участки между нуклеосомами называются – линкерными.
ДНК на этих «белковых катушках» удерживают ионные связи.
Белки катушек имеют много Арг и Лиз , их радикалы (+)
ДНК имеет много остатков фосфорной кислоты (-)
Катушки с ДНК чередуются с линкерными участками – образуется структура «бусы на нити»
Далее они сближаются и образуют соленоид
Негистоновые белки – куча ферментов, которые участвуют в реакциях синтеза/починки ДНК, РНК и белков
РНК
Третичная структура РНК образуется за счет дополнительных водородных связей между нуклеотидами неспирализованных участков.
На схеме справа изображена трехмерная модель т-РНК
Отличия РНК от ДНК
Строение нуклеотидов (рибоза сахар, урацил У вместо тимина Т)
РНК – одна цепочка, ДНК – 2
Некоторые РНК обладают каталитической активностью (как белки)
o Рибозимы– осуществляют реакцию расщепления самих себя или других РНК
o Рибонуклеазы– режут другие РНК
o Пептидил трансфераза– это помесь белка и рРНК в рибосомах
Разные виды РНК
мРНК – матричная РНК – задача – перенос информации из ядра в цитоплазму (к месту сборки белка)
рРНК – РНК входит в состав рибосом – участие в синтезе белка
тРНК – имеет форму клеверного листа – переносит аминокислоты к месту сборки белка (на 3’конце)
Гибридизация нуклеиновых кислот
Основана на свойстве комплиментарности. Цепи нуклеиновых кислот могут приближаться друг к другу и удерживаться водородными связями, при условии, что в каждой точке цепочки будут соблюдаться пары А-Т или А-У и Г-Ц
Таким образом, если нагреть нуклеиновые кислоты до 90С0 они как и белки денатурируют до цепочки. Если оставить их в покое, то они вернут свою прежнюю структуру. И могут приблизиться, образуя пары.
Этот метод позволил установить следующие закономерности:
ü ДНК всех клеток одного организма идентична, а ДНК разных организмов одного вида обнаруживает очень высокое сходство, обеспечивая образование «совершенных гибридов»;
ü ДНК специфична для каждого вида и чем больше филогенетическая дистанция между видами, тем больше различий в строении, принадлежащих им ДНК:
ДНК, выделенная из тканей определенного организма, содержит информацию о структуре всех видов РНК данного организма
РЕПЛИКАЦИЯ
Этап завершения (терминации)
В этом этапе ДНК- полимераза, исправляет возможные ошибки. ДНК-лигаза – зашивает «бреши» в отстающей цепи.
В результате образуются 2 молекулы ДНК, каждая из которых содержит одну новосинтезированную цепь и одну старую (материнскую).
Ошибки, возникшие входе репликации, исправляют: ДНК-полимераза, ДНК-лигаза, ДНК – инсертаза, экзонуклеаза и эндонуклеаза.
Ориджины
Молекула ДНК человека имеет очень большие размеры, поэтому инициация синтеза ДНК происходит в нескольких точках хромосомы, которые называются точками инициации репликации, или ориджинами («origin») репликации). Ориджины репликации имеют специфическую нуклеотидную последовательность.
Теломеры
На каждом конце хромосомы присутствуют специфическая нуклеотидная последовательность. Она представлена многочисленными повторами -GGGTTA- - это «теломерная последовательность»
РЕПАРАЦИЯ
Матричные синтезы, это процессы, в ходе которых «переставляются местами» мелкие молекулы (нуклеотиды) в цепочке из бесчисленного множества звеньев.
Разумеется, в ходе таких процессов будут возникать ошибки и нужна будет репарация (исправление ошибок)
За счет свойства комплиментарности, если уцелела одна из цепей ДНК – можно восстановить вторую
А. СПОНТАННЫЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ
Возникают сами по себе без каких-либо повреждающих факторов
ü Ошибки репликации
Наращивают цепь ДНК – семейство ферментов ДНК-полимеразы. Их много
Некоторые из них умеют исправлять созданные ошибки (4 и 5 в таблице). Полимераза-альфа не умеет.
Эндонуклеаза определяет ошибку
Экзонуклеаза вырезает её
ДНК-полимераза – достраивает новую цепь
ДНК-лигаза сшивает разорванные концы.
Восстановление проходит после «вырезания» большого участка цепи
ü Депуринизация
Иногда пуриновые основания (А и Г) отрываются от сахара в нуклеотиде. Получается такой пустой участок в цепи – называется АП-сайт
Такой тип повреждений устраняет ДНК-инсертаза
(она присоединяет к дезоксирибозе нужное азотистое основание)
Восстановление происходит без вырезания большого участка цепи
ü Дезаминирование
Реакция превращения Ц в У, аденина в гипоксантин, гуанина в ксантин
Исправление этого вида ошибок проходит схеме выше
. ВЫЗЫВАЕМЫЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ
Например, образование тиминовых димеров (Т-Т)
Возникает под действием УФО лучей солнца.
Восстановление таких ошибок осуществляет – фотолиаза.
Например, пигментная ксеродермия.
У больных сверхчувствительность к УФ свету, проявляется красными пятнами и ожогами на коже.
ВТОРОЙ МАТРИЧНЫЙ ПРОЦЕСС - ТРАНСКРИПЦИЯ
Это процесс синтеза РНК на матрице ДНК
Участники:
1. ДНК – матрица (книга)
2. Источники энергии и субстраты (кирпичики) (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ)
3. РНК-полимераза – главный фермент
o РНК-полимераза I – пре-рРНК
o РНК-полимераза II – пре-мРНК
o РНК-полимераза III – пре-тРНК
Направление синтеза такое же от 3 к 5.
Как видно в итоге получаются «незрелые» молекулы. Они должны дозреть.
Процесс созревания у всех молекул РНК разнится. Рассмотрим пример созревания мРНК.
Процесс созревания у всех молекул РНК разнится. Рассмотрим пример созревания мРНК.
1. Процессинг –это присоединение к 3’концу КЭП – часть, которая защищает РНК от ферментов и к 5’ концу – полиА последовательность, которая облегчает выход РНК из ядра.
2. Сплайсинг – это процесс окончательного созревания РНК в ядре. Схема процесса приведена ниже
Тут участвуют мяРНК, имеющие каталитическую активность.
(!) Альтернативный сплайсинг
Некоторые гены большие и повторяются в геноме многих клеток. То есть во многих клетках синтезируются одинаковая огромная пре-РНК, но процесс созревания у них отличается. Таким образом в одной клетке получается РНК (экзон1-экзон3-экзон6), в другой – РНК (экзон1-экзон2-экзон3). И образуемые белки либо отличаются только строением (изоферменты), либо и строением, и функциями
ФОРМИРОВАНИЕ ДРУГИХ РНК
СИНТЕЗ БЕЛКА (ТРАНСЛЯЦИЯ)
(сначала просмотреть видеоряд)
ТРАНСЛЯЦИЯ – процесс синтеза белка на матрице иРНК
Участники: Рибосомы, иРНК, тРНК, аминокислоты, АТФ и ферменты.
Стадии: 1. Инициация 2. Элонгация 3. Терминация
ü Функционирование белка определяется его 3dструктурой
ü 3d структура белка определяется последовательностью аминокислот в цепочке
ü Последовательность аминокислот в цепочке «прописана в ДНК», затем «переписывается» на мРНК и с нее же и считывается
ü «читается» код – последовательностью нуклеотидов (а так как они отличаются только азотистыми основаниями – то последовательностью АУГЦ)
Свойства кода
1) Триплетность – смысловой единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, кодон)
2) Непрерывность – между триплетами нет пауз, информация считывается непрерывно
3) Неперекрываемость –один и тот же нуклеотид не может входит в состав двух и более триплетов
4) Однозначность –определенный кодон соответствует только одной аминокислоте
5) Вырожденность – одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов
6) Универсальность –генетический код работает одинаково во всех организмах
В ходе указанного процесса получаются «незрелые» белки.
Созревание – постмодификационные изменения включают:
ü Частичные протеолиз (отщепление лишних кусочков)
ü Фолдинг (помощь в обретении 3d структуры)
ü Модификация аминокислот (накидываение дополнительных молекул на радикалы аминокислот)
ü Образование дисульфидных мостиков
ü Образование олигомерных структур (присоединяются еще глобулы)
Некоторые белки (большинство ферментов цитоплазмы) должны оставаться в клетке, они синтезируются «плавающими полисомами» в цитоплазме клеток, другие белки создаются «на отправку»
o Отправка за пределы клетки (экзоцитоз)
o Отправка, чтобы встроиться в мембранные органеллы (ЭПС, мембрану, ядро, сомы)
Белки «на отправку» попадают в систему шероховатая ЭПС ---- аппарат Гольджи, где они образуются и «обрабатываются»
Сигнальная часть это обычно N-конец белка, поэтому в белке, который уйдет «на отправку» вы не увидите Мет
ИНГИБИТОРЫ МАТРИЧНЫХ БИОСИНТЕЗОВ
ü Структурная модификация матрицы и рибосом
ü Инактивация ферментов
ü Снижение синтеза исходных субстратов (НТФ/дНТФ)
1. α-Аманитин- токсин, который содержится в бледной поганке Amanita phalloides и ингибирует эукариотические РНК-полимеразы. в особенности РНК-полимеразу II, которая отвечает за синтез мРНК
2. Возбудитель дифтерии Corynebacterium diphtheriae выделяет токсин, который в организме человека подвергается гидролитическому расщеплению.
Образуется фрагмент. являющийся специфическим ингибитором трансляции у эукариотов. Он обладает ферментативной активностью и катализирует АДФ-рибозилирование - перенос остатка АДФ-рибозы с NAD+ на ОН-группу остатка серина в молекуле фактора элонгации F2. Инактивация фактора ингибирует продвижение рибосомы по мРНК на стадии транслокации. В результате растущая пептилная цепь остается в аминоацильном центре рибосомы, биосинтез белков в инфицированных клетках слизистой зева и гортани прекращается.
1. Антибиотикивлияют на белок-синтезирующий аппарат бактерий
Фторхинолоны – останавливают синтез ДНК
Рифампицины – синтез РНК
Эритромицин, тетрациклины, стрептомицин – синтез белка
Данные препараты при этом не виляют на синтез белка в клетках человека, это объясняется тем, что строение ферментов бактерий и наших клеток отличается.
2. Противоопухолевые препараты – останавливают матричные процессы в опухолевых клетках. На самом деле и в наших. Избирательности почти нет. Суть в том, что опухолевые клетке чаще и интенсивнее делятся, поэтому сильнее страдают от этих веществ.
Таргетные препараты – это те, которые доставляются прямо к клеткам опухоли и на расходятся по всему организму
3. Интерфероны - семейство белков наших клеток, которые останавливают матричные синтезы если клетка заражена вирусом или превратилась в опухолевую.
У эукариот
На самом деле регуляция генов у эукариот очень большая и тяжелая тема.
Регулировать синтез/молчание генов можно:
ü Пространственной укладкой
o Сильно закрученная молекула ДНК «нечитаема» - гетерохроматин (не читаем, т.к. многие участки метилированы, пространственная недоступность, сильная связь с гистонами)
o Слабо закрученная – «читаема» - эухроматин (читаем, т.к. нет участков метилирования, пространственная упаковка менее сжатая, слабая связь с гистонами)
ü Изменение количества генов (при созревании эритроцитов многие гены «выпиливаются»)
ü Перестройка генов в хромосомах (образование различных антител)
ü Изменение активности разных генов
o Энхансер - участок ДНК. Если к нему присоединится регуляторный белок – скорость транскрипции ↑
o Сайленсер - участок ДНК. Если к нему присоединится регуляторный белок – скорость транскрипции ↓
ü Регуляция процесса синтеза и созревания мРНК (например, альтернативный сплайсинг)
ü Изменения белков после синтеза
Каждая клетка (кроме лимфоцитов) имеет один генотип. Но «активность» генов разная. В мышца ген – Hb – «молчит», в ретикулоцитах – «активен»
МЕХАНИЗМЫ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ
Мутации – это нерепарированные изменения первичной структуры ДНК
ü Точечные мутации (замена/вставка/выпадение нуклеотидов)
Вставка или потеря сразу 3х нуклеотидов или 6/9/12 в общем кратно трем – либо сдвигает рамку, либо нет.
Если нуклеотидов выпадает некратно 3м – вся последовательность аминокислот в белке может поменяться. В итоге белок может быть патогенным / не функционировать / может запустить программу неконтролируемого деления (опухоль) / может накапливаться (дистрофия) / может неправильно функционировать (генетические патологии)
Если мутация произойдет в соматической клетке (в эмбриогенезе) – страдает весь организм, в отдельно взятой клетке – без последствий.
Мутации в половых клетках передаются по наследству и могут проявляться в фенотипе потомства в виде наследственной болезни, связанной со структурным и функциональным изменением белка. Мутации в соматических клетках вызывают, как правило, различные функциональные нарушения.
Полиморфизм генов
Важно понимать, что несмотря на то, что у всех людей белки по своему функциональному значению +/- одинаковы, однако, аминокислотные последовательности у них у всех разные.
Так только по аллелям Нbсуществует более 600 групп людей. Когда каждый человек может иметь только 2 аллеля (варианта) одного белка. Примеры – HbA (вариантов которого тоже много, они отличаются как минимум по сродству к О2), HbS – замена Глу на Вал (в бэта глобине) у таких людей эритроциты серповидной формы.
Особенности строения белков объясняют разное отношение людей к токсинам, инфекционным агентам, особенностям метаболизма, предрасположенности к опухолевым заболеваниям и многое другое.
ü Так особенности строения белков, которые участвуют в переработке алкоголя – носят этнический характер, поэтому какие-то расы тяжело переносят алкоголь, какие-то нет.
ü Так особенности строения белков, которые участвуют в переработке липидов – могут приводит к возникновению групп с предрасположенностью к атеросклерозу и/или ожирению, непереносимости тех или иных липидов в пище.
ü Так особенности строения белков, которые участвуют в переработке углеводов – могут приводит к предрасположенности к диабету, непереносимости тех или иных углеводов в пище
ü Так особенности строения белков, которые участвуют в иммунных реакциях, могут приводить к предрасположенности аутоиммунных процессов, непереносимости чего-либо, чрезмерным реакциям на патогены, иммунодефициты и прочее.
Это всё результат генетического разнообразия, которые реализуется за счет полового размножения (гены рекомбинируют в результате мейоза и прочего)
РЕКОМБИНАНТНЫЕ ДНК В МЕДИЦИНЕ
обратные транскриптазы - ферменты ретровирусов, которые катализируют синтез ДНК на матрице мРНК:
химический синтез, позволяющий на автоматическом синтезаторе получать одноцепочечные фрагменты ДНК с заданной последовательностью и длиной до 100 нуклеотидов
рестриктазы- бактериальные ферменты из группы эндонуклеаз. Они «узнают» короткую специфическую последовательность нуклеотидов в ДНК длиной в 4-6, реже в 8-12 пар оснований и расщепляют обе нити. В настоящее время из бактериальных источников выделены сотни рестриктаз с разной субстратной специфичностью.
Полимеразная цепная реакция (ПЦР) – метод, который позволяет получить огромное множество копий определенного участка ДНК (гена)
Для выделения определенного гена нужна изначальная – «затравка» - праймеры. Это короткие участки ДНК (20-30 нуклеотидов)
ПЦР проходит циклично:
1) Денатурация – нагревание исходной смеси до 94С0 --- нити ДНК расходятся
2) Отжиг – температуру спускают и нити комплиментарно связываются с затравками (праймерами)
3) Полимеризация – фермент полимераза начинает синтез новых цепей ДНК.
Перечисленные реакции повторяются многократно
Возможности:
1) Изменять генотип одноклеточных, чтобы те синтезировали нужные нам вещества
2) Создание новых форм растений
3) Перспективные методы генной терапии (донести гены, до «поломанной» клетки)
м