НК. БС Общая презентация_eeae5dc759e1c0dad90ebbc7bf64f04d

1. Нуклеиновые кислоты. Репликация. Мутации. Биосинтез белка.

2.

❑ Последовательность чередования нуклеотидов
в полинуклеотидной цепи составляет
первичную структуру нуклеиновой кислоты.
❑ Мононуклеотид содержит пентозу, азотистое основание и остаток
фосфорной кислоты.
❑ Нуклеиновые кислоты делятся на два типа в зависимости от
того, какой моносахарид входит в их состав.
❑ Нуклеиновая кислота называется рибонуклеиновой (РНК), если
в ее состав входит рибоза,
или дезоксирибонуклеиновой (ДНК), если в ее состав
входит
дезоксирибоза.
❑ Азотистые основания делятся на пуриновые (аденин и гуанин) и
пиримидиновые (цитози, тимин и урацил).
❑ Связь между отдельными мононуклеотидами осуществляется с
помощью 3`,5`-фосфодиэфирной связи, которая соединяет С-3`
пентозы одного нуклеотида и С-5` другого.

3.

(ДНК, РНК)
(ДНК, РНК)

4.

(РНК)
(ДНК)
(ДНК, РНК)

5.

N-гликозидная связь

6.

Первичная структура нуклеиновых кислот – это
последовательность мононуклеотидов, соединенных 3,5
фосфодиэфирными связями

7.

8. Правила Чаргаффа

1) Молярная доля пуринов равна молярной
доле пиримидинов
А+Г=Ц+Т
2) Количество аденина и цитозина равно
количеству гуанина и тимина
А+Ц=Г+Т
3) А = Т, Г = Ц

9.

Вторичная структура ДНК (В-форма)

10.

Две цепи ДНК удерживаются между собой за счет
водородных (электростатических) связей.
Вторичная структура ДНК – это двойная спираль, витки
которой удерживаются за счет гидрофобных связей
между лежащими друг под другом азотистых оснований
(стекинг-взаимодействий)

11.

❑ Вторичная структура ДНК состоит из двух цепочек,
которые избирательно соединяются водородными
связями, образуя специфические пары аденинтимин, гуанин-цитозин.
❑ В двойной цепочке ДНК азотистые основания
уложены в виде стопок перпендикулярно основной оси
спирали. Между ними возникают особого рода
стэкинг-взаимодействия, которые определяют
стабильность двойной спирали.

12.

13.

Гистоны
обладают «+»
зарядом, т.к.
содержат до 30%
арг, лиз
Третичная структура ДНК – укладка двойной спирали ДНК вокруг
октамера гистонов (1,8 витка) – нуклеосомный уровень (между
остатками фосфорной кислоты ДНК и положительно заряженными
гистонами образуется ионная связь). Нуклеосомы (7-8) далее
упаковываются в фибриллы (d=30 нм), которые затем образуют
нити хроматина толщиной около 100нм

14.

❑ Возникновение третичной структуры ДНК, обусловлено
необходимостью более плотной упаковки
наследственного материала.
❑ У эукариотов хроматиновые волокна состоят
из нуклеосом.
❑ Нуклеосома представляет собой комплекс, состоящий из
дуплекса ДНК, который дважды обвивает октамер.
❑ Октамер состоит из восьми молекул низкомолекулярных
белков- гистонов.
❑ Гистоны несут на своей поверхности значительный
положительный заряд, обусловленный наличием в
пептидной цепочке до 30% остатков лизина и аргинина.
❑ Прочность комплекса гистонов с ДНК обусловлена
возникновением большого количества ионных связей
между отрицательно заряженными молекулами ДНК и
положительно заряженными молекулами гистонов.

15.

Упаковка фибрилл
приводит к
образованию
нитей хроматина.
Различают участки
гетеро - и
эухроматина
Цепочки из нуклеосом сворачиваются в фибрилы
(d=30 нм)

16. Митохондриальная ДНК

17.

м-РНК (2%)
Эукариоты – моноцистронная м-РНК
5` CAP
3`
УГА
АУГ
УАА
УАГ
АААААА
(20-250 остатков АМФ)
цистрон
Прокариоты – полицистронная м-РНК
5` CAP
АУГ
УАА
цистрон 1
АУГ
3‘
АУГ
цистрон 2
цистрон 3
ААААА

18.

м-РНК
Роль CAP: 1. защита от действия экзонуклеаз
2. участие в инициации трансляции
(узнавание малой субъединицы рибосомы)
Роль полиА: 1. защита от действия экзонуклеаз
2. переход м-РНК из ядра в цитоплазму
3. отвечает за количество копий белка с
данной м-РНК

19.

(75 нуклеотидов)
д-петля
тψс-петля
С рибосомой
С ферментом
УАЦ
АУГ
мРНК

20.

❑ Наследственная информация, закрепленная в молекуле ДНК, разбита
на гены.
❑ Ген - это участок ДНК, который кодирует синтез одного
полипептида.
❑ Гены, кодирующие полипептиды и РНК, называют
структурными генами.
❑ Регуляторные гены участвуют в регуляции передачи генетической
информации.
• Экспрессия генов (проявление генетической информации в форме
фенотипических признаков) осуществляется два этапа.
❑ Сначала в ходе транскрипции переписывается информация
с матрицы ДНК на матрицу РНК.
❑ А затем информация транслируется (считывается) в виде
специфической последовательности аминокислот в
полипептидной цепи.
ДНК
транскрипция
РНК
трансляция
белок

21. Генетический код – определенная последовательность расположения триплетов в ДНК, ответственная за включение определенной

аминокислоты в состав белка
• Триплетный (64 триплета)
• Вырожденный (избыточный)
• Универсальный – аминокислоты кодируются
одними и теми же триплетами
• Специфичный - каждому триплету соответствует
одна аминокислота
• Линейный

22. Репликация

Репликация (удвоение ДНК) происходит в ядре в процессе
деления клетки в S-фазу клеточного цикла
В основе процессов репликации лежит комплементарность
пар азотистых оснований
Репликация ДНК происходит полуконсервативным
способом, две цепи ДНК разъединяются и служат матрицей
для построения дочерней цепи на каждой из них
Репликация ДНК начинается в определенной точке – точка
начала репликации - origin, в клетках эукариот
одновременно возникает более 1000 таких точек

23.

24.

25.

Репликация
ДНК- гираза (топоизомераза) – раскручивает спираль ДНК
Хеликаза – расплетает две цепочки ДНК
SSB-белки
ДНК- полимеразы:
α – синтезирует праймер
β – вырезает праймер и участвует в репарации
ε – синтез фрагментов Оказаки (полимеразная активность) и
корректирующая активность
δ – синтез лидирующей цепи (полимеразная активность) и
корректирующая активность
γ - в митохондриях

26.

27.

Метилирование ДНК
S-аденозил метионин
Для формирования хромосом
Для регуляции транскрипции
Видовая специфичность

28. Ингибиторы репликации

• 5-фторурацил
• 6-меркаптопурин

29. Ингибиторы репликации. Интеркаляторы.

доксирабицин

30. Молекулярные механизмы мутаций

Мутации – изменения в структуре азотистых оснований, и
(или) изменения в нуклеотидной последовательности в ДНК,
передающиеся по наследству. Мутации могут быть
врожденные и приобретенные.
Действие физических факторов
Под действием УФ-излучения между соседними
пиримидиновыми основаниями (между соседними
тиминами) возникает ковалентная связь, в результате чего
образуются тиминовые димеры. Результатом облучения могут
быть разрывы одной или двух цепей ДНК, обзазование
поперечных сшивок.
Образование димеров является непреодолимым
препятствием для процесса репликации и трансляции.
Рентгеновские и -лучи помимо прямого влияния на ДНК
вызывают образование в тканях свободных радикалов.
Все это лежит в основе мутагенного и канцерогенного
эффекта облучения

31. Образование тиминовых димеров

5‘
3’
Т ……… А
А ……….Т
3’
5‘
Фотолиаза – фермент репарации ДНК

32. Действие химических мутагенных факторов

• 1) дезаминирующие агенты (азотистая кислота и вещества,– нитраты,
нитриты, нитрозамин). Они вызывают дезаминирование азотистых
оснований. Например, цитозин превращается в урацил/
• 2) алкилирующие агенты (диметилсульфат, диметилнитрозамин,
азотистый иприт, циклофосфамид) вызывают метилирование
азотистых оснований
• 3) аналоги азотистых оснований по своей структуре похожи на
азотистые основания и способны их заменять в структуре ДНК
4) интеркалирующие агенты (гидрофобные планарные соединения – акридин,
диоксины, бензпирен) встраиваются между соседними азотистыми
основаниями:

33. Химические факторы мутаций

Дезаминирующие агенты
азотистая кислота, нитраты, нитриты
цитозин
урацил
гуанин
аденин
гипоксантин
ксантин

34. Химические факторы мутаций

Алкилирующие агенты - диметилсульфат
гуанин
6-О-метилгуанин
Аналоги азотистых оснований
5-бромурацил
2-аминопурин

35. Химические факторы мутаций

Интеркалирующие агенты
акридин
бензпирен

36. Антимутагенная защита

• Связывание мутагена с альбуминами и глобулинами
плазмы затрудняет их проникновение в клетку
• Детоксикация гидрофобных ксенобиотиков в
печени с участием микросомальной системы
детоксикации (цит.Р-450, цит. B5, система
конъюгации)
• Процессы антиоксидантной защиты в клетке
• Работа системы репарации в ядре

37. Ферменты репарации

Г ….. У
ДНК-N-гликозилаза – удаляет измененное
азотистое основание, формирует АП-сайт
Г……Ц
ДНК-инсертаза – встраивает азотистое
основание по правилу комплементарности
АП- эндонуклеаза – разрывает связь в ДНК
АП- экзонуклеаза – удаляет дезоксирибозу
ДНК-полимераза - присоединяет нуклеотид по правилу
комплементарности
ДНК-лигаза – сшивает участки ДНК

38. Точечные мутации

• Транзиции
А
Г
Ц
Т
• Трансверзии
А
Т
Т
А
Г
Ц
Ц
Г

39.

Точечные мутации
Миссенс (замена аминокислоты)
приемлемая (ААА)
частично приемлемая (ААА)
неприемлемая (ААА)
Нонсенс (возникает стоп-кодон)

40.

41.

42.

Этапы биосинтеза белка:
1. Транскрипция мРНК, рРНК и тРНК
на матрице ДНК.
2. Посттранскрипционная модификация
пре- РНК в ядре.
3. Активация аминокислот в цитоплазме.
4. Трансляция белковой молекулы на
полисомах.
5. Посттрансляционная модификация белка.

43. Транскрипция – синтез предшественников РНК на матрице ДНК ( в ядре)

Ферменты транскрипции:
ДНК-зависимые-РНК-полимеразы
РНК-полимераза I - катализирует матричный синтез
предшественников р-РНК
РНК-полимераза II – пре-м-РНК
РНК-полимераза III – пре-т-РНК

44. Инициация транскрипции

• РНК –полимераза эукариот не узнает промотор на
молекуле ДНК, поэтому сначала с ДНК
связывается фактор транскрипции TF II D ( – ТА ТА
бокс-связывающий белок),
• ТА ТА – бокс – это последовательность
нуклеотидов, расположенная за 25-35
нуклеотидов до начала транскрипции. Далее РНКполимераза присоединяется к промотору,
раскручивает двойную спираль ДНК, формируется
«транскрипционная вилка»

45. Транскрипция - инициация

ТАТА-фактор (TF II D )
5’
ТАТА
3’ АТАТ
ААТАА
ТАТА-бокс
промотор
транскриптон
терминатор
РНК-полимераза
Белковые факторы транскрипции присоединяются к ТАТА-боксу, что
обеспечивает присоединение РНК-полимеразы к промотору. Фермент
раскручивает определенный участок ДНК и образуется транскрипционная
вилка.

46. Транскрипция -элонгация

• Для синтеза РНК на матрице ДНК необходимы субстраты:
четыре типа рибонуклеотидтрифосфатов рАТФ, рГТФ,
рУТФ, рЦТФ. Наличие макроэргических связей в них
обеспечивает образование 3,5 фосфодиэфирной связи
между мононуклеотидами.
• Эти мононуклетиолтрифосфаты по принципу
комплементарности подходят к ДНК и удерживаются
водородными связями, затем ДНК-зависимая РНКполимераза соединяет их в полинуклеотидную цепь.
• Когда РНК-полимераза дойдет до последовательности
ААТАА на ДНК наступает этап терминации

47. Транскрипция - элонгация

ТАТА-фактор (TF II D )
5’
ТАТА
3’ АТАТ
У А
А Т
ТАТА-бокс
промотор
транскриптон
ААТАА
3‘
терминатор
РНК-полимераза
5‘ пре-м-РНК
РНК-полимераза считывает нуклеотидную последовательность цепи ДНК и соединяет
рибонуклеозидтрифосфаты по правилу комплементарности растущей цепи от 5’ → 3’
концу. По мере прохождения РНК-полимеразы ДНК вновь закручивается.

48. Транскрипция - терминация

ТАТА-фактор (TF II D )
5’
ТАТА
3’ АТАТ
ТАТА-бокс
промотор
У А
А Т
3‘
транскриптон
ААТАА
терминатор
РНК-полимераза
5‘ пре-м-РНК
РНК-полимераза движется вдоль цепи ДНК до сайта терминации . Факторы
терминации облегчают отделение пре-РНК и РНК-полимеразы от матрицы ДНК.

49. Ингибиторы транскрипции

-аманитин (токсин бледной поганки)
Рифамицин – ингибитор
– ингибитор РНК-полимеразы II эукариот
РНК-полимеразы прокариот
Интеркаляторы – актиномицин Д,
акридин, бензпирен и др.

50.

Посттранскрипционный процессинг
Для м-РНК:
- отрезание «лишних» концевых последовательностей
- присоединение CAP (7-метилгуанозин- трифосфат) к
5`концу
-присоединение поли А последовательности к 3`концу
- процессинг - вырезание интронов происходит с
участием мя РНП –малых ядерных
рибонуклеопротеинов)
- сплайсинг - сшивание экзонов –с участием мя-РНК,
которые имеют свойства ферментов и называются
рибозимы
- Формирование сплайсеосомы

51. Посттранскрипционная модификация м-РНК

52.

Посттранскрипционный
процессинг
Для т-РНК:
отрезание «лишних» концевых последовательностей
модификация азотистых оснований (образование
минорных оснований)
сплайсинг–удаление интрона в антикодоновой петле и
формирорвание антикодона
присоединение ЦЦА к 3`-концу
Для р-РНК:
отрезание «лишних» концевых последовательностей
связывание с белками и формирование большой и
малой субъединиц рибосом

53.

54.

55.

Посттранскрипционный процессинг
•Ядерная информосома содержит
большое количество белков, часть
которых удаляется при прохождении
информосомы через ядерную пору (РНК:
белок 1:4)
•Цитоплазматическая информосома (РНК:
белок 4:1)
•Полисомная информосома
(в комплексе с рибосомами)

56.

(рибозимы)

57. Активация аминокислот (в цитоплазме)

58. Активация аминокислот (в цитоплазме)

59.

Активация аминокислот
Происходит на ферменте аминоацил-т-РНК-синтетазе, Например,
1. Иле + Е + АТФ→Е-[Иле-АМФ] +тРНК
Е - изолейцил-т-РНК-синтетаза
→ Иле~тРНК + Е + Фн,Фн
изолейцил-т- РНК
2. Исправление ошибки
(если вместо изолейцина присоединился валин к ферменту изолейцил-т-РНКсинтетазе, то в центре исправления ошибки при участии воды происходит
отщепление валина
Вал + Е+ АТФ → Е-[Вал-АМФ] + Н2О → Вал+ Е
изолейцил-т-РНК-синтетаза

60. Трансляция – синтез белка на рибосоме

Инициация
Для этого процесса необходимо:
▪наличие мРНК, ГТФ, ионов Mg2+, рибосомных
субчастиц (малой и большой), трех факторов
инициации белковой природы, метионил-тРНК.
▪Инициирующим кодоном является АУГ, с ним
связывается метионил-тРНК, находящийся в
пептидильном участке рибосомы.
Из компонентов собирается аппарат для синтеза
белка и протекают подготовительные реакции.

61. Инициация трансляции

• Малая рибосомальная субъединица 40S при участии
фактора инициации ФИ-3 присоединяется к мРНК. Метилметионин-тРНК, участвующая в трансляции первого
кодона взаимодействует с ГТФ и ФИ-2. Присутствие ФИ-1
обеспечивает присоединение метил-метионин-тРНК к
кодону АУГ. Факторы инициации высвобождаются, малая
субъединица рибосомы соединяется с большой 60S,
формируются пептидильный и аминоацильный центры
рибосомы. Аминоацил-тРНК (метил-метионин-тРНК)
находится в пептидильном центре, аминоацильный центр
свободен.

62. Элонгация - процесс, в ходе которого

• различные аминоацил-тРНК комплементарные
кодону, встраиваются в аминоацильный участок
• с помощью рибосомной пептидилтрансферазы происходит
образование пептидной связи между аминокислотами,
находящимися в пептидильном и аминоацильном участке
• а с помощью транслоказы, мРНК передвигается на один
кодон в направлении 5’→ 3'
• процесс повторяется многократно и требует затраты 2-х
молекул ГТФ на каждую аминокислоту
• необходим также полный набор аминоацил-тРНК, ионов
Mg 2+и двух факторов элонгации.

63.

64. Терминация - окончание синтеза белка.

• Для терминации
и освобождения полипептидной цепи
требуется факторы терминации.
• Терминирующими кодонами мРНК являются
УАА, УАГ, УГА, которые меняют активность
пептидилтрансферазы и вместо аминокислоты
присоединяется вода, затем происходит
отщепление белка от матрицы иРНК.
Для разъединения малой и большой
субъединиц рибосомы требуется затрата ГТФ

65.

66. Ингибиторы трансляции

Процесс трансляции у эукариот и прокариот существенно различаются, поэтому
ингибиторы могут быть разные
Ингибиторы прокариот
● Антибиотики: - стрептомицин связывается с П-центром
рибосомы,
- тетрациклины связываетсяс А-центром рибосомы,
- левомицетин ( ингибирует пептидилтрансферазу),
- эритромицин (ингибирует транслоказу)
Ингибиторы эукариот
• Токсины белковой природы:
- дифтерийный токсин (ингибитор фактора элонгации-2 ФЭ
• Антибиотики, не являющиеся лекарственными средствами: циклогексамид, пуромицин

67. Посттрансляционная модификация белка включает:

1. Модификацию N и C-концов, удаление сигнальных
последовательностей.
2. Гидроксилирование аминокислотных радикалов (например,
пролина, лизина в коллагене), фосфорилирование (ОН-группы
серина, треонина), карбоксилирование (например, глутамата в
молекулах Са+2), метилирование, гликозилирование.
3. В состав сложных белков включаются кофакторы, коферменты и
простетические группы.
4. Формирование вторичной структуры происходит
самопроизвольно, а для формирование третичной структуры
белка необходимы белки шапероны.
Примечание
Шапероны участвуют в 3-х процессах: 1-формирование третичной структуры; 2- определяют процессы агрегациидезагрегации полипептидных цепей; 3-обеспечивают разрушение неправильных полипептидных цепей в
протеосомах после мечения их убиквитином (белком смерти)

68. Регуляция экспрессии генов у эукариот

Экспрессия генетической информации должна
регулироваться:
В ходе онкогенеза
организма и
дифференцировки
его клеток
Чтобы организм мог
приспосабливаться к
изменяющимся
условиям внешней
среды, то есть отвечать
на внешние сигналы

69. Регуляция экспрессии генов у эукариот

Уровни регуляции:
• Претранскрипционный
• Транскрипционный
• Посттранскрипционный
• Трансляционный
• Посттрансляционный

70. Претранскрипционный уровень

• Организация хроматина (гетерохроматин ДНК упакован
компактно, уэхроматин ДНК транскрибируется)
● Амплификация – увеличение числа копий генов (например, при
повышении концентрации тяжелых металлов в крови увеличивается
синтез белков, богатых SH-группами – металлотионеинов, которые
связывают тяжелые металлы)

71. Транскрипционный уровень

• Транскрипционные факторы
• Регуляторные последовательности

72.

Процесс биосинтеза белка запускается различными регуляторными молекулами:
факторами роста, стероидными гормонами, тиреоидными гормонами,
витаминами А,Д, и т.д., которые запускают синтез различных белков, имея
домены связывания на регуляторных белках.
Факторы транскрипции:
TF II D (ТВР – ТАТА бокс-связывающий белок)
TF II B – правильное расположение
фермента на промоторе
TF II H – раскручивает ДНК, фосфорилирует РНК-полимеразу
TF II E- TF II F - являются общими транскрипционными факторами, составляют
преинициаторный комплекс РНК-полимеразы II.
Кроме того, в ДНК имеются регуляторные специализированные
последовательности, присоединение белков к которым изменяет скорость
синтеза белка:
Энхансеры – участки ДНК, присоединение к которым регуляторных белков
усиливает транскрипцию
Сайленсеры – участки ДНК, присоединение к которым регуляторных белков
уменьшает транскрипцию
сis-элементы –последовательности, общие для группы генов.

73. Транскрипционный уровень

74. Посттранскрипционный уровень АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ СПЛАЙСИНГ –

• Многие эукариотические гены, будучи
транскрибированы, образуют несколько
вариантов зрелой мРНК в ходе процессинга
(созревания первичного транскриптата),
например в ходе альтернативного
сплайсинга в процессе синтеза антител
образуются мембраносвязанные и
секреторные формы

75.

76. Посттранскрипционный уровень Редактирование РНК

• Транскрибированная с одного гена в разных тканях мРНК
различается, различия образовались в результате вставок
или выпадения нуклеотидов.
• Пример «редактирования» РНК - образование
апопротеина-В в клетках печени и кишечника. Апо-В
кодируется одним и тем же геном, но в печени образуется
апо-В100, который содержит 4563, в клетках кишечника в
ходе замены азотистых оснований в середине молекулы
возникает «стоп-кодон» и в результате синтезируется апоВ48, содержащий 2153 аминокислоты.

77. Посттранскрипционный уровень Изменение стабильности мРНК Может происходить в результате ее метилирования. Уровень стабильности

мРНК (скорость распада) определяет
количество синтезированного белка

78. Трансляционный уровень

гемкиназа
(неакт)
ГЕМ
ГЕМ
гемкиназа
(акт)
elF 2 (акт)
АТФ
синтез глобина
elF 2-Фн (неакт)
АДФ

79. Регуляция трансляции Регуляция синтеза белка глобина осуществляется только на уровне трансляции и зависит от содержания гема

(небелковой части гемоглобина) в клетке. Если
внутриклеточная концентрация гема высока, то глобин
синтезируется, при снижении содержания гема синтез
глобина снижается. Остановка синтеза происходит за счет
фосфорилирования и перевода в неактивное состояние
фактора инициации IF2. Другой пример – синтез
ферритина регулируется концентрацией Fe в клетке
(усиливается при повышении Fe)

80. Биосинтез белка