Molekulyarnaya_biologia_kletki_okonchat_variant_abd84e93a4423d763f2217fb56e4a35a

1. МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КИРОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ Кафедра биологии Лекция для

студентов 1 курса
Молекулярная биология
клетки
Зав. кафедрой биологии, доцент к.б.н.
Коледаева Елена Владимировна

2. ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:

◼ Нуклеиновые кислоты, их строение и
роль.
◼ Геном, ген.
◼ Генетический код.
◼ Биосинтез белка.
◼ Регуляция экспрессии генов у про- и
эукариот.
◼ Репликация ДНК

3. Нуклеиновые кислоты

◼ Открыты Мишером в 1870 г.
Нуклеиновые кислоты - это
биополимеры, состоящие из
последовательности нуклеотидов. В
каждый нуклеотид входит азотистое
основание, остаток сахара и остаток
фосфорной кислоты. В состав ДНК
входит сахар дезоксирибоза, в состав
РНК - сахар рибоза.

4. Строение нуклеотида ДНК

5. Модель строения ДНК (по Уотсону и Крику, 1953г.)

ДНК состоит из 2-х цепей,
комплементарных друг другу и
антипараллельных

6.

◼ 1. Комплементарность – каждому
азотистому основанию одной цепи
соответствует строго определенное
основание другой цепи ( А – Т, Г – Ц).
◼ 2. Антипараллельность -3- конец
одной цепи расположен напротив 5конца другой цепи.

7.

3. Количество пуриновых оснований
равно количеству пиримидиновых
( правило Чаргаффа):
(А + Г) = ( Т + Ц)
4. Пространственная конфигурация
молекулы ДНК представляет
правозакрученную двойную
спираль, в которой азотистые
основания ориентированы внутрь
спирали.

8.

9.

Молекулы РНК являются, как
правило, однонитевыми и также имеют
5’ и 3’- концы.
Все матричные молекулярногенетические процессы в клетке
идут только в одном направлении:
от 5' к 3'- концу растущей молекулы
нуклеиновых кислот.

10. Биологическая роль ДНК

1) хранение
2) самовоспроизведение
(репликация)
3) передача генетической информации
от клетки к клетке.
Биологическая роль РНК:
реализация генетической информации
в клетке, т.е. биосинтез белка

11.

Совокупность всей ДНК в
гаплоидном наборе хромосом
данного вида называется геномом.
В 70-х гг. Бригген и Дэвидс открыли
фундаментальную особенность
молекулярной структуры генома
эукариот – нуклеотидные
последовательности разной степени
повторяемости.

12. В геноме выделяют 3 типа последовательностей:

◼ Уникальные - представлены в одном
экземпляре (как правило, это
структурные гены, кодирующие
белки),
◼ Среднеповторяющиеся - повторяются
десятки и сотни раз( это гены рРНК,
тРНК, гистонов),
◼ Высокоповторяющиеся – имеют до 1
млн копий, не содержат генов, т.е.
являются неинформативными

13.

◼ Менее 20% ДНК генома эукариот
информативна (содержит гены),
◼ 80% генома – неинформативные
последовательности:
- спейсеры (участки ДНК,
разделяющие гены)
- саттелитная (молчащая) ДНК.

14. Ген

Ген – функциональная единица
наследственности, участок ДНК,
несущий информацию о
первичной структуре белка или
РНК.

15. Особенности строения гена эукариот

◼ У прокариот гены имеют непрерывное
строение, а у эукариот гены имеют
мозаичное строение и состоят из двух
типов участков – экзонов и интронов.
◼ Экзоны - участки гена, несущие
информацию о структуре белка.
◼ Интроны – участки гена, не несущие
информацию о структуре белка, но
выполняющие регуляторную роль внутри
гена.

16. Строение гена эукариот

17.

Информация о структуре белков
и РНК зашифрована в генах с
помощью генетического кода
Генетический код - это способ
записи информации о
структуре белков в молекуле
ДНК

18.

Свойства генетического кода
1) код триплетный, т.е. каждую
аминокислоту кодирует кодон (группа) из
трех нуклеотидов;
2) код неперекрывающийся, т.е.
один нуклеотид может входить в состав
только одного кодона:
АТГАААГЦГ
АТГАААГЦГ
перекрывающийся
неперекрывающийся

19.

3) код считывается без запятых в
одном направлении;
4) код специфичный, т.е. один кодон
кодирует только одну аминокислоту;
5) код вырожденный, т.е. одной
аминокислоте может соответствовать
несколько кодонов (кодонов -64, а
аминокислот – 20);

20.

6) код универсален, т.е. он един для
всех организмов;
7) в генетическом коде существует
несколько специфических кодонов:
- кодон-инициатор АУГ, который служит
сигналом, запускающим трансляцию белка на
рибосомах
- кодоны-терминаторы УАА, УАГ и УГА,
которые служат стоп-сигналами,
прекращающими трансляцию.

21.

Реализация генетической информации в
клетке (биосинтез белка)
Включает 2 этапа:
• транскрипция (ядро)
• трансляция
(цитоплазма)

22.

Транскрипция Синтез РНК на матрице ДНК.
При этом матрицей для
синтеза служит одна из цепей
ДНК (матричная),
противоположная цепь –
смысловая.

23.

Функциональной единицей
транскрипции является участок ДНК,
состоящий из трех частей:
1. промотор (П) – участок ДНК
перед структурным геном, с которым
связывается фермент РНК-полимераза
2. структурный ген
3. терминатор (Т) - участок
окончания транскрипции

24.

Единица транскрипции:
П
Структурный ген
ДНК
РНК-полимераза
Т

25.

Стадии транскрипции
1. Инициация - связывание РНК-
полимеразы с промотором и
расплетание двойной спирали ДНК
2. Элонгация – синтез мРНК
3.Терминация – окончание синтеза
мРНК

26.

Матричная цепь ДНК
ДНК
РНК
5’
РНК-полимераза

27.

После транскрипции у
прокариот мРНК сразу
переходит к рибосомам, и
начинается трансляция.

28.

Посттранскрипционные
процессы у эукариот
У эукариот гены состоят из экзонов
и интронов.
А для синтеза белка интроны не
нужны.

29.

Поэтому после транскрипции
у эукариот начинается
процесс созревания РНК
(процессинг), в результате
которого образуется зрелая
матричная (информационная)
РНК

30.

Этапы процессинга
1) Сплайсинг:
Вырезание интронов
Сшивание экзонов
2) Модификации 5’ и 3’концов мРНК

31. Сплайсосома

◼ Молекулярная машина, удаляющая
интронную РНК из первичного
транскрипта.
◼ Сплайсосома собирается из пяти малых
ядерных РНК (мяРНК ) и примерно 80
белков.
◼ МяРНК, составляющие основную
сплайсосому, названы U1, U2, U4, U5и U6 ,
так как богаты уридином.

32.

33. Сайт сплайсинга

◼ Специфическая нуклеотидная
последовательность на границе между
интроном и экзоном, играющая сигнальную
роль для правильного протекания
сплайсинга.
◼ Главная сплайсосома принимает участие в
сплайсинге интронов, содержащих гуанин и
урацил (GU) в 5'-сайте, и аденин и гуанин
(AG) в 3'-сплайсинг-сайте.

34.

35.

Транскрипция и процессинг у эукариот
Зрелая мРНК

36. Модификация 5’ и 3’-концов мРНК

◼ С 5’ конца
происходит кэпирование присоединение к 5'-концу транскрипта 7метилгуанозина через необычный для РНК
трифосфатный мостик. Кэпирование
защищает 5'-конец первичного
транскрипта от действия рибонуклеаз,
специфически
разрезающих фосфодиэфирные связи в
направлении 5’→3'.

37.

38. Модификация 5’ и 3’-концов мРНК

◼ С 3’-конца - полиаденилирование.
Фермент поли(А)-полимераза присоединяет
3'-концу транскрипта от 100 до 200 остатков
адениловой кислоты.
◼ Играет важную роль в транспорте мРНК
из ядра, её трансляции и стабильности.
◼

39. Альтернати́вный спла́йсинг

◼
вариант сплайсинга
матричных РНК, при
котором в ходе
экспрессии гена на
основе одного и того же
первичного
транскрипта (премРНК) происходит
образование
нескольких зрелых
мРНК.

40. Трансляция - синтез белка на матрице мРНК на рибосомах

1.Активация
аминокислот –
присоединение
аминокислот к
своим
собственным тРНК
(аминоацил-тРНКсинтетаза)

41.

2. Собственно трансляция (3 стадии)
1. Инициация - образование
инициирующего комплекса между малой
субчастицей рибосомы, кодономинициатором АУГ и метиониновой тРНК

42.

К инициирующему комплексу
присоединяется большая частица
рибосомы и на ней возникают два
активных центра
Р- центр-
образование
пептидных
связей между
аминокислотами
А-центр-
связывание
тРНК с кодонами
мРНК

43.

2. Элонгация – синтез белковой молекулы

44.

3. Терминация - окончание трансляции
Происходит тогда, когда в А-центр
вступает кодон-терминатор (УАА, УАГ,
УГА).
В результате трансляции
образуется первичная структура белка.
Далее в каналах ЭПС происходит
фолдинг (формирование
пространственной структуры белка:
вторичной, третичной, четвертичной).

45.

В каждый конкретный момент в
клетке работают только те гены, чьи
белковые продукты клетке
необходимы. Т.е. происходит
регуляция работы генов ( одни гены
включаются в работу, другие
выключаются).

46.

Регуляция экспрессии генов у
прокариот
Впервые изучена в 1961 г. Жакобом и
Моно у кишечной палочки:
Среда роста
бактерий
+ лактоза
Бактерии
синтезируют 3
фермента,
расщепляющие
лактозу
Если лактозу убрать из среды роста,
синтез ферментов сразу прекращается.

47.

Для объяснения регуляции синтеза
ферментов они предложили теорию
оперона:
1.В ДНК помимо структурных
генов существуют гены,
управляющие работой
структурных генов. Они
называются регуляторными
генами.

48.

2. Один или несколько структурных
генов, отвечающих за одну
биохимическую реакцию,
расположены в хромосоме рядом с
группой регуляторных генов, и вся
эта система представляет собой
единицу генетической
регуляции или оперон.

49.

В состав оперона входят:
1) Промотор П. Это точка начала
транскрипции.
2) За промотором следует оператор О.
Это регуляторная область оперона, к
которой присоединяется белокрепрессор.
3) Далее следуют 3 структурных гена,
которые кодируют 3 фермента,
отвечающие за усвоение лактозы
клеткой.
4) Заканчивается оперон терминаторомТ.

50.

5) Недалеко от лактозного оперона
находится ген-регулятор Р. Этот
ген кодирует регуляторный белокрепрессор, осуществляющий
работу оперона. В отсутствие
лактозы он прикрепляется к
оператору и играет роль шлагбаума,
препятствуя продвижению РНКполимеразы к структурным генам.

51.

Схема лактозного оперона кишечной палочки

52.

а) в отсутствии лактозы
Белок-репрессор

53.

б) в присутствии лактозы
Лактоза деформирует репрессор, он не
садится на оператор, шлагбаум открывается

54.

Таким образом,
регуляция биосинтеза
белка у прокариот
происходит в оперонах
на уровне транскрипции

55.

Особенности регуляции у эукариот
1. Оперонов у
эукариот нет.
2. Активность каждого структурного
гена регулируется большим числом
генов-регуляторов.
3. В регуляции работы генов
большую роль играют геныэнхансеры (усиливают
транскрипцию) и гены-сайленсеры
(тормозят транскрипцию).

56.

4. Регуляция работы генов
происходит на всех уровнях
реализации наследственной
информации:
- Транскрипционном (наиболее
изучена)
- Трансляционном
- посттрансляционном

57. Регуляция на уровне транскрипции

58.

5. В регуляции принимают
участие гормоны. Например:
Под действием половых
гормонов происходит
активация генов, отвечающих
за развитие вторичных
половых признаков

59.

60. Репликация ДНК

- процесс, приводящий к удвоению
молекул ДНК. Происходит по
принципу комплементарности
полуконсервативным путем –
каждая дочерняя молекула ДНК
состоит из одной материнской и
одной вновь синтезированной нити.

61.

62. Репликон

◼ Это участок молекулы ДНК, на
котором происходит репликация.
◼ У прокариот – 1 репликон, у
эукариот на каждой хромосоме –
несколько репликонов.

63.

◼ Эволюционно сформировавшийся
репликационный аппарат обеспечивает
максимальную точность передачи
информации от родительских к дочерним
молекулам ДНК.
◼ Ведущим ферментом репликации является
ДНК-полимераза.
◼ У эукариот известны более 7 типов ДНКполимераз. В разных комбинациях они
отвечают за репликацию и репарацию в
ядре, митохондриях, пластидах.

64. Репликация у эукариот ( показана часть одной хромосомы)

Репликационный
глаз
Репликационные вилки

65. События в репликационной вилке

На одной цепи непрерывный синтез ДНК,
на другой –прерывистый 3
5
ДНК
Фрагменты
Оказаки
РНКзатравка
5

66.

◼ Цепь, на которой идет непрерывный
синтез ДНК – лидирующая цепь,
◼ Цепь, на которой идет прерывистый
синтез ДНК - отстающая цепь.

67. Последовательность событий репликации

◼ Раскручивание двойной спирали ДНК
осуществляют ферменты ДНК-хеликазы.
◼ Фермент «садится» на ДНК с помощью
специальных инициаторных белков,
связывающихся с точками начала
репликации, и раскручивают двойную
спираль, разрывая водородные связи
между основаниями, используя энергию
АТФ.

68. Схема репликации

69.

◼ Топоизомераза – способствует ослаблению
связей на сверхскрученных участках ДНК
(релаксация молекул) , внося одноцепочечные
разрывы фосфодиэфирных связей и
раскручивая двойную спираль перед
репликационной вилкой. После она вновь
замыкает разорванные фосфодиэфирные
связи, восстанавливая целостность
родительской ДНК.
◼ Белок SSB – дестабилизирующие спираль ДНК
белки специфически связываются с
одноцепочечной ДНК, не позволяя им
сомкнуться.

70.

◼ На стадии инициации репликации
фермент РНК-праймаза синтезирует
короткую РНК-затравку (праймер).
◼ После того, как будет синтезирован РНКпраймер, подключается ДНК-полимераза
и продолжает наращивать цепь.
◼ РНК-праймеры не сохраняются в зрелой
ДНК. Они удаляются и замещаются на
фрагмент ДНК.
◼ Разрыв между фрагментами ДНК
устраняется ферментами ДНК-лигазами.

71. Этапы репликации на отстающей цепи:

1.
2.
3.
4.
Синтез РНК-затравки(праймера) –
фермент РНК-праймаза.
Синтез фрагментов Оказаки
(фрагменты ДНК длиной 100 -150
п.н.)- фермент ДНК-полимераза.
Вырезание праймеров.
Сшивание фр. Оказаки – фермент
ДНК-лигаза.

72. Прокариотические ДНК-полимеразы

◼ ДНК-полимераза I задействована в восстановлении
ДНК, обладает и 5'-3', и 3'-5'-экзонуклеазным действием;
◼ ДНК-полимераза II участвует в репликации
поврежденной ДНК. Обладает способностью 5'-3'удлинения цепочки и 3'-5'-экзонуклеазным действием;
◼ ДНК-полимераза III — основная полимераза
бактерий, обладающая также 3'-5'-экзонуклеазным
действием;
◼ ДНК-полимераза IV, ДНК-полимераза семейства Y;
◼ ДНК-полимераза V, ДНК-полимераза семейства Y,
принимающая участие в пропуске поврежденных
участков ДНК.

73. Эукариотические ДНК-полимеразы

Эукариотические ДНКполимеразы
ДНК-полимераза α выступает сначала в роли праймазы,
синтезируя праймер РНК, а затем как нормальная
полимераза, присоединяя к этому праймеру нуклеотиды.
◼ ДНК-полимераза β задействована в восстановлении ДНК;
◼ ДНК-полимераза δ — основная полимераза эукариот. Она
высокопроизводительна, а также обладает 3'-5'экзонуклеазным действием;
◼ ДНК-полимераза ε, иногда замещающая ДНК-полимеразу δ
во время синтеза 3’-5’-моноспирали. Основное назначение
этой полимеразы неясно;
◼ ДНК-полимеразы η, ι, κ, и Rev1 из семейства Y, а также ζ из
семейства B. Эти полимеразы задействованы в пропуске
поврежденных участков ДНК.
◼

74.

Благодарю за внимание!