Строение нуклеиновых кислот

К аждый нуклеотид содержит 3 химически различных компонента: гетероциклическое азотистое основание, моносахарид (пентозу) и остаток фосфорной кислоты. В зависимости от числа имеющихся в молекуле остатков фосфорной кислоты различают нуклеозидмонофосфаты (НМФ), нуклеозиддифосфаты (НДФ), нуклеозидтрифосфаты (НТФ) .

В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания двух типов: пуриновые - аденин (А), гуанин(G) и пиримидиновые - цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U).

Первичная структура ДНК - порядок чередования дезоксирибонуклеозидмонофосфатов (дНМФ) в полинуклеотидной цепи.

Каждая фосфатная группа в полинуклеотидной цепи, за исключением фосфорного остатка на 5'-конце молекулы, участвует в образовании двух эфирных связей с участием 3'- и 5'-углеродных атомов двух соседних дезоксирибоз, поэтому связь между мономерами обозначают 3', 5'-фосфодиэфирной.

Концевые нуклеотиды ДНК различают по структуре: на 5'-конце находится фосфатная группа, а на 3'-конце цепи - свободная ОН-группа.

Н . к. обладают видовой специфичностью, т. е. у каждого вида характеризуются определённым нуклеотидным составом.

Биосинтез (репликация) днк

• матричный (матрица – обе нити ДНК)

• комплиментарный

• фрагментарный (нити ДНК синтезируются в виде фрагментов, которые затем соединяются между собой)

• полуконсервативный (в каждой из образовавшихся молекул ДНК одна нить исходная – материнская, а одна – вновь синтезированная – дочерняя)

Живые организмы в течение S-фазы клеточного цикла, которая предшествует делению клетки, удваивают содержание ДНК Процесс удвоения хромосом называют репликацией (редупликацией).

Хромосома содержит одну непрерывную двух-цепочечную молекулу ДНК. При репликации каждая цепь родительской двухцепочечной ДНК служит матрицей для синтеза новой комплементарной цепи. Вновь образованная двойная спираль имеет одну исходную (родительскую) и одну вновь синтезированную (дочернюю)цепь. Такой механизм удвоения ДНК получил название «полуконсервативная репликация». Первичная структура дочерней цепи определяется первичной структурой родительской цепи, потому что в основе её образования лежит принцип комплементарности оснований (G = C и A = T).

Д НК–РЕПЛИКАТИВНЫЙ КОМПЛЕКС

Репликация ДНК осуществляется ДНК-зависимыми ДНК-полимеразами. Субстратами и источниками энергии для синтеза продукта служат 4 макроэргических соединения - дезоксирибонуклеозидтрифосфаты: дАТФ, дГТФ, дЦТФ и дТТФ, для активации которых необходимы ионы магния. Нейтрализуя отрицательный заряд нуклеотидов, они повышают их реакционную способность. Ферменты проявляют каталитическую активность только в присутствии предварительно раскрученной матричной двухцепочечной ДНК. Синтез цепей ДНК происходит в направлении 5'-3' растущей цепи, т.е. очередной нуклеотид присоединяется к свободному З'-ОН-концу предшествующего нуклеотидного остатка. Синтезируемая цепь всегда антипараллельна матричной цепи. В ходе репликации образуются 2 дочерние цепи, представляющие собой копии матричных цепей.

В синтезе эукариотических ДНК принимают участие 5 ДНК-полимераз (α, β, γ, δ, ε). ДНК-полимеразы различают по числу субъединиц, молекулярной массе, ассоциации с разными вспомогательными белками, ускоряющими процесс биосинтеза ДНК, и функциональному назначению. ДНК-полимеразы α (альфа), β (бета), δ (дельта), ε (эпсилон) участвуют в синтезе ДНК в ядре клеток, ДНК-полимераза γ (гамма) - в репликации митохондриальной ДНК. ДНК-полимеразы β, δ, ε не могут инициировать образование дочерних цепей, так как не имеют сродства к одиночной нити ДНК.

Инициирует репликацию ДНК-полимераза α, которая комплементарна определённому сайту одноце-почечной ДНК. Присоединяясь к нему, ДНК-полимераза α синтезирует небольшой фрагмент РНК - праймер, состоящий из 8-10 рибо-нуклеотидов. ДНК-полимераза α состоит из четырёх субъединиц. Каждая из субъединиц фермента выполняет определённую функцию: «узнавание» сайта репликации, синтез прайме-ра (8-10 рибонуклеотидов), синтез фрагмента цепи ДНК, около 50 дезоксирибонуклеотидов. Таким образом, ДНК-полимераза α синтезирует олигонуклеотид, содержащий примерно 60 нуклеотидньгх остатков; первые 8-10 представлены рибонуклеотидами (праймер), а остальные - дезоксирибонуклеотидами

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

• 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

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

3. Терминация

• ДНК-полимераза β (фермент репарации) удаляет праймеры и достраивает фрагменты ДНК

• ДНК-лигаза соединяет фрагменты между собой

Синтез днк и фазы клеточного деления.

РОЛЬ ЦИКЛИНОВ И ЦИКЛИНЗАВИСИМЫХ ПРОТЕИНКИНАЗ В ПРОДВИЖЕНИИ КЛЕТКИ ПО КЛЕТОЧНОМУ ЦИКЛУ.

Процесс митоза принято подразделять на четыре основные фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Так как он непрерывен, смена фаз осуществляется плавно — одна незаметно переходит в другую.

Циклин-зависимые киназы — группа белков, регулируемых циклином и циклиноподобными молекулами. Большинство Циклин–зависимых киназ участвуют в смене фаз клеточного цикла; также они регулируют транскрипцию и процессингмРНК.

Циклин-зависимые киназы являются серин\треониновыми киназами, и фосфорилируют соответствующиеостатки белков. Известно несколько CDK, каждая из которых активируется одним или более циклинами ииными подобными молекулами после достижения их критической концентрации, притом по большей частиCDK гомологичны, отличаясь в первую очередь конфигурацией сайта связывания циклинов. В ответ науменьшение внутриклеточной концентрации конкретного циклина происходит обратимая инактивациясоответствующей CDK. Если CDK активируются группой циклинов, каждый из них как бы передаваяпротеинкиназы друг другу, поддерживает CDK в активированном состоянии длительное время. Такие волны активации CDK возникают на протяжении G1- и S- фаз клеточного цикла.

Повреждение и репарация днк

ДНК-РЕПАРИРУЮЩИЙ КОМПЛЕКС

Процесс, позволяющий живым организмам восстанавливать повреждения, возникающие в ДНК, называют репарацией. Все репарационные механизмы основаны на том, что ДНК - двухцепочечная молекула, т.е. в клетке есть 2 копии генетической информации. Если нуклеотидная последовательность одной из двух цепей оказывается повреждённой (изменённой), информацию можно восстановить, так как вторая (комплементарная) цепь сохранена.

Процесс репарации происходит в несколько этапов. На первом этапе выявляется нарушение комплементарности цепей ДНК. В ходе второго этапа некомплементарный нуклеотид или только основание устраняется, на третьем и четвёртом этапах идёт восстановление целостности цепи по принципу комплементарности. Однако в зависимости от типа повреждения количество этапов и ферментов, участвующих в его устранении, может быть разным.

Биосинтез белка

К оллинеарность - свойство, обусловливающее соответствие между последовательностью кодонов нуклеиновых кислот и аминокислот полипептидных цепей. В белке воспроизводится та же последовательность аминокислот, в какой соответствующие кодоны располагаются в гене. Это означает, что положение каждой аминокислоты в полипептидной цепи зависит от особого участка гена. Генетический код считается коллинеарным, если кодоны нуклеиновых кислот и соответствующие им аминокислоты в белке расположены в одинаковом линейном порядке.

Инициация начинается с присоединения к мРНК в области «кэпа» малой субъединицы рибосомы 40S, факторов инициации (IF), инициирующей Мет-тРНКМет и ГТФ. Когда в результате движения этого комплекса по мРНК антикодон Мет-тРНКМет свяжется с инициирующим кодоном АUG, комплекс останавливается. Происходит присоединение 60S-субъединицы рибосомы, сопровождающееся гидролизом ГТФ и отделением факторов инициации. Формируется 80S-рибосома с двумя активными центрами: Р (пептидильным) центром, в котором находится Мет-тРНКМет, и А(аминоацильным) центром, в область которого поступает первый смысловой кодон мРНК.

Этап элонгации включает три последовательные стадии:

- Связывание аа-тРНКаа в А-центре.

- Образование пептидной Пептидил-тРНК связи.

- Транслокация - перемещение рибосомы по мРНК.

Терминация трансляции происходит после включения в А-центр одного из стоп кодонов: UAG, UGA, UAA

Транскрипцией называется синтез РНК на ДНК-матрице. В результате образуются первичные траскрипты мРНК, тРНК, рРНК, комплементарные матричной цепи ДНК, имеющей направление от 3'-, к 5'-концу. Субстратами и источниками энергии для синтеза РНК являются рибонуклеозидтрифосфаты ( НТФ: АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ).

Катализируют синтез РНК ферменты РНК-полимеразы. В ядре клеток эукариотов обнаружены три фермента:

• РНК-полимераза I, синтезирующая пре-рРНК;

• РНК-полимераза II, ответственная за синтез пре-мРНК;

• РНК-полимераза III, синтезирующая пре-тРНК.

Синтез начинается с того момента, когда РНК-полимераза II присоединяется к матрице в специальном участке - протомотре. Промотор содержит ТАТА-последоательность, которую узнают белком ТАТА-фактором. Матрицей для синтеза служит одна из цепей ДНК.

Элонгация - наращивание молекулы РНК происходит путем присоединения очередного рибонуклеотида, комплементарного тому дезоксирибонуклеотиду ДНК, который находится в активном центре РНК-полимеразы

Терминация. участок ДНК содержит определенный участок - сайт терминации, где заканчивается ген, представляющий из себя последовательность нуклеотидов.И фермент отделяется ДНК-цепь. Модификации пре-мРНК начинаются на стадии элонгации. Когда длина первичного транскрипта достигает примерно 30 нуклеотидов, происходит «кэпирование» 5'-конца.

Первичный транскрипт или пре-мРНК комплементарен гену, содержит как экзоны - последовательности, кодирующие определенные участки молекулы белка, так и интроны - некодирующие последовательности. В процессе образования молекул «зрелой» мРНК интроны вырезаются из первичного транскрипта, концы экзонов соединяются друг с другом - эту реакцию называют сплайсингом РНК

Процесс вырезания интронов протекает при участии малых ядерных рибонуклеопротеинов (мяРНП), которые образуют комплексы - сплайсосомы. После завершения сплайсинга «зрелая» мРНК становится примерно в четыре раза короче первичного транскрипта. Сплайсинг происходит в ядре, в цитоплазму переносится уже «зрелая» мРНК

Биологический код

Биологический код - это способ записи информации об аминокислотной последовательности белков с помощью последовательности нуклеотидов в ДНК или РНК

• 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 кодируемого белка)

Транспортная рнк как адаптор аминокислот

Второй тип РНК называют транспортной (адапторной сокращенно— т-РНК). Она выполняет функцию переносчика активированных аминокислотк месту синтеза белка. Каждая молекула такой РНК является адаптером только какой-нибудь одной аминокислоты, т. е. находит место аминокислоты на и-РНК- Поэтому в клетке имеется не менее 20 разновидностей РНК, специализированных для 20 аминокислот. 

П осле присоединения к соответствующей тРНК аминокислота уже не участвует в определении специфичности аминоацил-тРНК, ибо сама по себе аминоацильная группа не узнается ни рибосомой, ни мРНК. Специфичность аминоацил-тРНК обеспечивается исключительно структурой тРНК. Это было окончательно доказано четкими опытами, в которых с помощью ферментов была получена цистеинил-тPHKCys, которую затем выделили и химическим путем превратили в аланил-тPHKCys. После этого такую гибридную аминоацил-тРНК, которая несет аланин, но содержит антикодон для цистеина, инкубировали в бесклеточной белоксинтезирующей системе. При анализе новосинтезированного полипептида было обнаружено, что в положениях, которые должен занимать цистеин, присутствует аланин

Субстратная специфичность арс-аз изоакцепторные т-рнк.

Реакция аминоацилирования осуществляется ферментами аминоацил-тРНК-синтетазами, способными узнавать три различных субстрата: АТФ, аминокислоту и тРНК. В активном центре молекулы фермента осуществляются активация аминокислоты и присоединение ее к концевому остатку рибозы тРНК. Для каждой аминокислоты в клетке имеется аминоацил-тРНК-синтетаза (АРСаза), способная отличать свою аминокислоту от остальных, часто очень похожих по структуре/

Аминоацил-тРНК-синтетазы осуществляют присоединение аминокислоты к молекуле транспортной РНК, что является ключевым моментом в реализации генетической информации.

Изоакцепторные тРНК. - Группа тРНК, связывающих одну и ту же аминокислоту, но имеющих разные антикодоны; разные Изоакцепторные тРНК узнаются одной и той же аминоацил-тРНК-синтетазой; Изоакцепторные тРНК отсутствуют у метионина и триптофана, а наибольшее их число (по 6) распознают кодоны аденина, лейцина и серина;Изоакцепторные тРНК могут иметь одинаковые антикодоны, но различную первичную структуру.

Строение рибосомы

Различают рибосомы эукариот и рибосомы прокариот. Число рибосом прокариот - 10(в 4 степени), диаметр 8 нм. Число рибосом эукариот 10 ( в 5 степени), диаметр 23 нм..Химически рибосомы представляют собой нуклеопротеины, состоящие из РНК и белков, причем 80S (Сведбергов) рибосомы эукариот содержат примерно равное соотношение РНК и белка, а у 70S рибосом прокариот соотношение составляет 65% и 35% соответсвенно. Рибосома представляет собой сложную молекулярную "машину" синтеза белка. Так же рибосома представлена двумя субчастицами - большой и малой. Большая субчастица рибосомы состоит из одной высокомолекулярной рРНК, двух низкомолекулярных рРНК и 41 белка. В состав малой субчастицы рибосомы входит другая высокомолекулярная РНК и 31 белок.

Полирибосома — несколько рибосом, одновременно транслирующих одну молекулу иРНК. Поскольку длина средней молекулы мРНК значительно превышает количество нуклеотидов, занимаемых на РНК рибосомой, одну молекулу РНК, в зависимости от скорости инициации одновременно транслируют несколько рибосом. Образование и количество рибосом в полирибосоме зависит от скорости инициации, элонгации и терминации на данной конкретной РНК. Чем длиннее пептидная цепь кодируе­мого белка, тем длиннее молекула РНК и тем больше рибосом в полирибосоме.