Молекулярные основы живых систем.нуклеиновые кислоты как природные нанообъекты

1.

Оренбургский государственный
медицинский университет

2.

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
"Оренбургский государственный медицинский университет"
Министерства здравоохранения Российской Федерации
КАФЕДРА ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
ДИСЦИПЛИНА «ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СОЗДАНИИ НОВЫХ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ»
ЛЕКЦИЯ
«МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ЖИВЫХ
СИСТЕМ.НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ КАК ПРИРОДНЫЕ
НАНООБЪЕКТЫ»
ЛЕКТОР ФИЛИППОВА ЮЛИЯ ВЛАДИМИРОВНА, ДОЦЕНТ КАФЕДРЫ
ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, КАНДИДАТ МЕДИЦИНСКИХ НАУК

3.

ЛЕКЦИЯ «МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ЖИВЫХ СИСТЕМ.НУКЛЕИНОВЫЕ
КИСЛОТЫ КАК ПРИРОДНЫЕ НАНООБЪЕКТЫ»
«МАКРОМОЛЕКУЛЫ, ОТВЕТСТВЕННЫЕ ЗА
ХРАНЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В КЛЕТКЕ»

4.

Нуклеиновые
кислоты (НК)
Молекулы нуклеиновых кислот:
дезоксирибонуклеиновой (ДНК) и
рибонуклеиновой (ДНК) являются носителями
генетической информации.
ДНК, РНК и белки образуют систему
биомакромолекул, ответственных за
генетическую информацию и выполняющих над
ней различные операци: копирование, хранение,
изменение, считывание, исполнение.
Нуклеиновые кислоты были впервые выделены
Ф.Мишером в 1869 году из ядер клеток гноя в виде
соединения с белком – нуклеина (от лат. nucleus – ядро)
термин «нуклеиновые кислоты» предложен
А.Косселем в 1889 г.
https://mypresentation.ru/documents_5/e2bb16fadcc36b0a0c9b22bb5a9c47df/i
mg13.jpg

5.

Строение нуклеиновых кислот
ДНК и РНК представляют собой
линейные полимеры, построенные из
нуклеотидов. Каждый нуклеотид
состоит из трех компонентов:
азотистого основания, являющегося
производным пурина или
пиримидина, пентозы (рибозы или
дезоксирибозы) и остатка фосфорной
кислоты. В состав нуклеиновых кислот
входят два производных пурина:
аденин и гуанин, и три производных
пиримидина: цитозин, урацил (в РНК)
и тимин (в ДНК).
https://medfsh.ru/wp-content/uploads/2021/12/Severin-biohimiya-uchebnik.pdf

6.

Первичная структура НК
это порядок чередования
нуклеотидов в полинуклеотидной
цепи, связанных между собой 3',5'фосфодиэфирной связью. В результате
образуются полимеры с фосфатным
остатком на 5'-конце и свободной –ОН
группой пентозы на 3'-конце
1- 5'-фосфодиэфирная связь
2 – N- гликозидная связь
3',5'-фосфодиэфирная связь
https://medfsh.ru/wp-content/uploads/2021/12/Severin-biohimiya-uchebnik.pdf

7.

Вторичная структура НК
представлена
правозакрученной спиралью , в
которой две полинуклеотидные
цепи расположены
антипараллельно и
удерживаются относительно
друг друга за счет
взаимодействия между
комплементарными
азотистыми основаниями.
https://medfsh.ru/wp-content/uploads/2021/12/Severin-biohimiya-uchebnik.pdf

8.

Правила Чаргаффа
1. Количествот пуриновых оснований равно количеству
пиримидиновых оснований: А+G=С+Т
2. Количество аденина и цитозина равно количеству
гуанина и тимана: А+С=G+Т
3. Количество аденина равно количеству тимина, а
количество гуанина равно количеству цитозина: А=Т и
G=С
4. Соотношение А + Т/G + С — величина постоянная и
является видоспецифической характеристикой организма
https://medfsh.ru/wp-content/uploads/2021/12/Severin-biohimiya-uchebnik.pdf

9.

Вторичная структура НК
Комплементарные основания обращены
внутрь молекулы и лежат в одной
плоскости, которая практически
перпендикулярна оси спирали.
Между основаниями в стопке возникают
гидрофобные взаимодействия,
обеспечивающие основной вклад в
стабилизацию структуры спирали.
Рибозофосфатные остатки ограничивают
спираль и образуют ее остов. На один
виток спирали приходится 10
нуклеотидных пар.
https://medfsh.ru/wp-content/uploads/2021/12/Severin-biohimiya-uchebnik.pdf

10.

ЛЕКЦИЯ «МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ЖИВЫХ СИСТЕМ.НУКЛЕИНОВЫЕ
КИСЛОТЫ КАК ПРИРОДНЫЕ НАНООБЪЕКТЫ»
«УРОВНИ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ
ХРОМАТИНА. РОЛЬ ГИСТОНОВЫХ И
НЕГИСТОНОВЫХ БЕЛКОВ В КОМПАКТИЗАЦИИ
ДНК»

11.

Третичная структура НК
формируется в результате ее
взаимодействия с белками.
Каждая молекула ДНК
упакована в отдельную
хромосому, в составе которой
разнообразные белки
связываются с отдельными
участками ДНК и
обеспечивают
суперспирализацию и
компактизацию молекулы.
Белки хроматина включают
две группы: гистоны и
негистоновые белки.
https://medfsh.ru/wp-content/uploads/2021/12/Severin-biohimiya-uchebnik.pdf

12.

Уровни компактизации ДНК
Нуклеосомы (145-150 пар
оснований, обернутый в 1,5
оборота вокруг гистонового
ядра) - компактизация в 5 раз
Фибриллы (соленоид)компактизация в 40 раз
Хроматиновое волокно
Митотическая хромосомакомпактизация в 100 раз
https://triptonkosti.ru/29-foto/uroven-kompaktizacii-dnk-v-hromosome-predstavlennyj-na-sheme.html

13.

Третичная структура НК
Вторичная структура РНК формируется
в результате спирализации отдельных
участков одноцепочечной РНК.
В спирализованных участках, или
шпильках, комплементарные пары
азотистых оснований А и U, G и С
соединены водородными связями.
Двуцепочечные фрагменты
чередуются с неспирализованными
участками молекулы, образующими
петли.
Третичная структура РНК образуется за
счет дополнительных водородных
связей между нуклеотидами,
полинуклеотидной цепью и белками,
обеспечивает дополнительную
компактизацию и стабилизацию
пространственной структуры
молекулы.
https://medfsh.ru/wp-content/uploads/2021/12/Severin-biohimiya-uchebnik.pdf

14.

ЛЕКЦИЯ «МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ЖИВЫХ СИСТЕМ.НУКЛЕИНОВЫЕ
КИСЛОТЫ КАК ПРИРОДНЫЕ НАНООБЪЕКТЫ»
«СВОЙСТВА ДНК, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В
НАНОТЕХНОЛОГИЯХ»

15.

Денатурация и ренативация ДНК и РНК
При нагревании до 80–90
градусов молекулыНК
денатурируют с разрушением
третичной и вторичной структур,
образуя однонитчатые
молекулы.
При медленном охлаждении
нити способны ренативировать
и приобретать исходную
структуру.
На этой способности
нуклеиновых кислот к
денатурации и ренативации
основан метод молекулярной
гибридизации.
https://medfsh.ru/wp-content/uploads/2021/12/Severin-biohimiya-uchebnik.pdf

16.

Денатурация и ренативация ДНК и РНК
Метод молекулярной гибридизации позволил установить следующие
закономерности:
• ДНК всех клеток одного организма идентична, а ДНК разных
организмов одного вида обнаруживает очень высокое сходство,
обеспечивая образование «совершенных гидридов»
• ДНК является видоспецифической характеристикой организмов:
чем больше филогенетическая дистанция между видами, тем
сильнее отличается строение ДНК из тканей особей этих видов
• ДНК, выделенная из тканей определенного организма, содержит
информацию о структуре всех видов РНК данного организма

17.

ЛЕКЦИЯ «МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ЖИВЫХ СИСТЕМ.НУКЛЕИНОВЫЕ
КИСЛОТЫ КАК ПРИРОДНЫЕ НАНООБЪЕКТЫ»
«РЕПЛИКАЦИЯ ДНК: ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
МАТРИЧНОГО БИОСИНТЕЗА»

18.

Репликация ДНК
Репликация - процесс передачи
генетической информации от
ДНК к ДНК.
Полуконсервативный способ: каждая
из дочерних клеток получают
информацию, идентичную той,
которой обладала родительская
клетка.
функциональное значение снабжение потомства
генетической информацией
Синтез ДНК протекает в ядре в Sфазу клеточного цикла и
предшествует делению клетки
https://studopedia.ru/9_35333_replikatsiya-dnk.html

19.

Условия для репликации
Матрица: неспаренная ДНК
Субстраты синтеза: дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ
Ферменты и белковые факторы:
ДНК-полимеразы
ДНК А белок (топоизомераза I) –узнает участок начала репликации
ДНК В белок (хеликаза) – расплетает спираль
ДНК С белок – необходим для присоединения хеликазы
Гистоноподобный белок – стимулирует инициацию
ДНК связывающие белки (SSB-белки) - стабилизируютучастки ДНК и повышают
активность хеликазы
ДНК гираза (топоизомераза II) –вводит отрицательные супервитки в ДНК
Праймаза (ДНК-зависимая РНК-полимерааз) – синтезирует РНК-затравку
ДНК-лигаза – соединяет концы фрагментов ДНК
Метилаза –метилирует 5’-УАТЦ в ориджине

20.

Стадия инициации
происходит расплетение двойной
спирали ДНК матрицы и образование
репликативной вилки. Участвуют в
этом процессе ферменты ДНКтопоизомераза I, ДНК-хеликаза и
белки, связывающиеся с
одноцепочечными участками ДНК
(SSВ-белки)
https://medfsh.ru/wp-content/uploads/2021/12/Severin-biohimiya-uchebnik.pdf

21.

Стадия инициации
I — ДНК-топоизромераза I присоединяется к ориджину, расщепляет одну из цепей ДНК и
связывается с фосфатным остатком в месте разрыва. Происходит раскручивание двойной
спирали ДНК
II — В область разрыва присоединяются две молекулы ДНК-хеликаз и разделяют цепи ДНК.
Затем ДНК-топоизомераза I устраняет разрыв, который осуществила первоначально, и
отъединяется от ДНК. К одноцепочечным участкам присоединяются SSB-белки
https://medfsh.ru/wp-content/uploads/2021/12/Severin-biohimiya-uchebnik.pdf

22.

Стадия элонгации
Лидирующая нить растет непрерывно,
а отстающая —
в виде фрагментов Оказаки, каждый
из которых включает:
VVVVVVVVV — РНК-праймер ( ~10
нуклеотидов),
———→ — участок ДНК, примерно
равный длине ДНК
в составе нуклеосомы (~150
нуклеотидов)
https://medfsh.ru/wp-content/uploads/2021/12/Severin-biohimiya-uchebnik.pdf

23.

Стадия терминации
Удаление РНК-праймеров из отстающей цепи в ходе синтеза
ДНК:
ДНК-полимераза α синтезирует олигорибонуклеотид,
которым начинается каждый фрагмент Оказаки в
отстающей нити ДНК.
Когда следующий фрагмент Оказаки достигает
праймера предыдущего фрагмента, ДНК-полимераза δ
отделяется, а праймер предыдущего фрагмента
удаляют эндонуклеаза и РНКаза.
ДНК-полимераза β удлиняет последний фрагмент,
заполняя «брешь».
ДНК-лигаза сшивает предыдущий и вновь
синтезированный фрагменты между собой
Теpминация синтеза ДНК наступает вследствие исчеpпания
матpицы
Репликационные пузыри сливаются, молекулы дочерней
цепи ДНК сшиваются ДНК-лигазой и на каждой матpице
обpазуется дочеpняя цепь ДНК.
https://medfsh.ru/wp-content/uploads/2021/12/Severin-biohimiya-uchebnik.pdf

24.

ЛЕКЦИЯ «МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ЖИВЫХ СИСТЕМ.НУКЛЕИНОВЫЕ
КИСЛОТЫ КАК ПРИРОДНЫЕ НАНООБЪЕКТЫ»
«МЕХАНИЗМЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ СТРУКТУРЫ
ДНК И ИХ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ»

25.

Причины повреждений ДНК
Несмотря на высокую точность репликации, в молекуле ДНК постоянно
происходят повреждения, вызванные УФО, радиационным излучением,
действием разнообразных веществ внешней и внутренней среды.
Под влиянием этих физических и химических факторов в структуре ДНК
происходит:
• дезаминирование оснований (из цитозина образуется урацил);
• депуринизация — гидролитическое отщепление пуриновых оснований;
• образование пиримидиновых димеров;
• разрыв нуклеотидных цепей;
• появление ковалентных сшивок между цепями или между цепями и
гистонами;
• включение некомплементарного основания, вызванное ошибками
репликации

26.

Репарация ошибок ДНК
• Специфическая эндонуклеаза обнаруживает нарушение
комплементарности и гидролитически расщепляет 3',5'фосфодиэфирную связь в поврежденной нити ДНК.
• Экзонуклеаза удаляет около 30 нуклеотидных остатков по
обе стороны от
места разрыва.
• К 3'-концу образовавшейся «бреши» присоединятся ДНКполимераза β
и,используя дНТФ в качестве субстратов и доноров энергии,
заполнят
«брешь».
• Одиночный разрыв между вновь синтезированной и
основной нитями
ДНК устраняет ДНК-лигаза, использующая АТФ в качестве
источника
энергии
https://medfsh.ru/wp-content/uploads/2021/12/Severin-biohimiya-uchebnik.pdf

27.

ЛЕКЦИЯ «МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ЖИВЫХ СИСТЕМ.НУКЛЕИНОВЫЕ
КИСЛОТЫ КАК ПРИРОДНЫЕ НАНООБЪЕКТЫ»
«ГЕНЫ. МУТАЦИИ»

28.

Гены. Мутации
Мутации - нерепарированные изменения в первичной структуре
ДНК.
• Соматические: в результате ошибок в работе ДНК-полимераз в
ходе репликации, ДНК-репарирующих систем и под
воздействием факторов внешней или внутренней среды, не
наследуются, но могут вызывать различные функциональные
нарушения, трансформацию клеток и образование опухолей
• Наследственные: мутации в половых клетках передаются по
наследству, могут проявляться в фенотипе потомства как
наследственная болезнь, связанная с низкой активностью или
полным отсутствием определенного фермента или белка

29.

Гены. Мутации
Генные или точковые мутации бывают в
основном трех видов:
• замены, при которых одно азотистое основание
в ДНК замещается на другое
• вставки, когда в структуру ДНК внедряется одно
или несколько дополнительных нуклеотидов;
• делеции или выпадения одного или
нескольких нуклеотидов

30.

Гены. Мутации
Каждый вид мутаций вызывает разные фенотипические последствия.
Мутации по типу замены изменяют структуру одного из кодонов.
Молчащая - если триплет, в котором находится измененный
нуклеотид, из-за вырожденности кода шифрует включение в белок
той же аминокислоты, что и исходный кодон
может произойти замена одной аминокислоты на другую —
миссенсмутация. Мутантный белок при этом полностью либо
частично сохраняет функциональную активность, и может полностью
терять активность
может возникнуть один из терминирующих кодонов: UAA, UAG, UGA
– нонсенс-мутация

31.

Гены. Мутации
Мутации по типу делеции и вставки
если включается или выпадает один нуклеотид или
фрагмент ДНК с числом нуклеотидов, не кратным трем,
то происходит сдвиг рамки считывания информации
при выпадении или включении в ДНК участка с длиной
цепи, кратной трем, сдвига рамки считывания
информации не происходит

32.

Рекомендуемая литература
Рамбиди, Н. Г. Физические и химические основы нанотехнологий. / Рамбиди Н. Г. , Берёзкин А. В. - Москва : ФИЗМАТЛИТ,
2009. - 456 с. - ISBN 978-5-9221-0988-8. - Текст : электронный // URL :
http://www.studmedlib.ru/book/ISBN9785922109888.html
Биохимия: учебник для студентов медицинских вузов [Текст] / Л. В. Авдеева, Т. Л. Алейникова, Л. Е. Андрианова [и др.] ;
ред. Е. С. Северин. - ГЭОТАР-Медиа, 2020. - 768 с.
Фостер, ЛиннНанотехнологии. Наука, инновации и возможности [Электронный ресурс] : монография / ЛиннФостер ; пер. А.
Хачояна. — Электрон. текстовые данные. — М. :Техносфера, 2008. — 352 c. — 978-5-94836-161-1. — Режим доступа:
http://www.iprbookshop.ru/13282.html
Витязь, П. А. Основы нанотехнологий и наноматериалов [Электронный ресурс] : учебное пособие / П. А. Витязь, Н. А.
Свидунович. — Электрон. текстовые данные. — Минск :Вышэйшая школа, 2010. — 302 c. — 978-985-06-1783-5. — Режим
доступа: http://www.iprbookshop.ru/20108.html
Верещагина, Я. А. Инновационные технологии. Введение в нанотехнологии [Электронный ресурс] : учебное пособие / Я. А.
Верещагина. — Электрон. текстовые данные. — Казань : Казанский национальный исследовательский технологический
университет, 2009. — 115 c. — 978-5-7882-0778-0. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/61850.html
)
Контакты: [email protected]

33.

ОрГМУ, 2023