Матричные биосинтезы (биосинтезы РНК, белка). Основы молекулярной генетики

1. КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ И КЛИНИЧЕСКОЙ БИОХИМИИ

Лекция по теме:
«Матричные биосинтезы
(биосинтезы РНК, белка).
Основы молекулярной
генетики»
Краснодар
2019

2. Для биосинтеза РНК (транскрипции) необходимы:

ДЛЯ БИОСИНТЕЗА РНК
(ТРАНСКРИПЦИИ) НЕОБХОДИМЫ:
•МАТРИЦА – участок одной из нитей ДНК
– (транскриптон)
•СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ:
– АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ
•ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ БЕЛКИ
ДНК-зависимые РНК-полимеразы
I — для синтеза р-РНК
II — для синтеза м-РНК
III — для синтеза т-РНК
•РЕГУЛЯТОРНЫЕ БЕЛКИ: факторы инициации, элонгац
терминации

3. Биосинтез РНК

БИОСИНТЕЗ РНК

4. Транскрипция

ТРАНСКРИПЦИЯ

5. Этапы транскрипции

ЭТАПЫ ТРАНСКРИПЦИИ

6. Процессинг РНК (сплайсинг)

ПРОЦЕССИНГ РНК
(СПЛАЙСИНГ)

7.

Процессинг
(2. модификация концов м-РНК)
5'
3'
м-РНК
полиаденилат
7-метилгуанозин

8. Процессинг т-РНК

ПРОЦЕССИНГ Т-РНК

9. Строение т-РНК

СТРОЕНИЕ Т-РНК

10. Общая схема биосинтеза белка

ОБЩАЯ СХЕМА БИОСИНТЕЗА БЕЛКА

11. Компоненты белоксинтезирующей системы

КОМПОНЕНТЫ БЕЛОКСИНТЕЗИРУЮЩЕЙ
СИСТЕМЫ
мРНК
20 Аминокислот
20 Аминоацил-тРНК синтетаз (АРС-аз)
Изоакцепторные тРНК
Рибосомы в виде полисом
Источники энергии (АТФ, ГТФ) и Мg2+
Белковые факторы регуляции: факторы
инициации, элонгации, терминации
Специальные ферменты посттрансляционного
процессинга полипептидной цепи

12. Состав зрелой м-РНК

СОСТАВ ЗРЕЛОЙ М-РНК
5'-конец
"колпачок" (кэп)
5'-нетранслируемый
участок
инициирующий кодон
кодирующая часть
терминирующий кодон
3'-нетранслируемый
участок
3'-конец
поли(А)-фрагмент

13. Колинеарность генетического кода

5' C C T G A G Т С Т
3' G G A C T C А G A
транскрипция
5' C C U G A G U C U
CUC
Glu-tRNA
Glu
трансляция
Pro
Glu
Ser
КОЛИНЕАРНОСТЬ
ГЕНЕТИЧЕСКОГО
КОДА

14. Строение т-РНК

СТРОЕНИЕ Т-РНК

15. Цитоплазматические стадии биосинтеза белка

ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИЕ СТАДИИ
БИОСИНТЕЗА БЕЛКА
Активация
аминокислот или
образование аминоацил-тРНК
Инициация
Элонгация
Терминация
Посттрансляционная модификация

16. Синтез аминоацил-тРНК

СИНТЕЗ АМИНОАЦИЛ-ТРНК
АТФ
R СН COOH
РPi
R СН CO~О АМФ
NH2
NH2
аминокислота
аминоацилтРНК-синтетаза
аминоациладенилат
т-РНК
АМФ
R СН CO~ т-РНК
NH2
аминоацил-тРНК

17. Рибосома эукариотов

РИБОСОМА ЭУКАРИОТОВ

18. Функционирующая рибосома

ФУНКЦИОНИРУЮЩАЯ РИБОСОМА

19. Таблица генетического кода

ТАБЛИЦА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА
УУУ
УУЦ
УУА
УУГ
ЦЦУ
ЦУЦ
ЦУА
ЦУГ
АУУ
АУЦ
АУА
АУГ
ГУУ
ГУЦ
ГУА
ГУГ
Фен
Лей
Иле
Мет+иниц
Вал
+ иниц
УЦУ
УЦЦ
УЦА
УЦГ
ЦЦУ
ЦЦЦ
ЦЦА
ЦЦГ
АЦУ
АЦЦ
АЦА
АЦГ
ГЦУ
ГЦЦ
ГЦА
ГЦГ
Сер
Про
Тре
Ала
УАУ
УАЦ
УАА
УАГ
ЦАУ
ЦАЦ
ЦАА
ЦАГ
ААУ
ААЦ
ААА
ААГ
ГАУ
ГАЦ
ГАА
ГАГ
Тир
Терм
Гис
Глн
Асн
Лиз
Асп
Глу
УГУ
УГЦ
УГА
УГГ
ЦГУ
ЦГЦ
ЦГА
ЦГГ
АГУ
АГЦ
АГА
АГГ
ГГУ
ГГЦ
ГГА
ГГГ
Цис
Терм
Три
Арг
Сер
Арг
Гли

20. Характеристика генетического кода

ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА
Триплетность (1 аминокислота кодируется 3
нуклеотидами)
Специфичность (каждому кодону соответствует
только 1 аминокислота)
Вырожденность (кодирование одной АК более чем 1
триплетом)
Линейная запись (прочтение кода без знаков
препинания)
Универсальность (одинаков для всех живых существ)
Колинеарность (соответствие линейной
последовательности кодонов гена и
последовательности АК в кодируемом белке)
Наряду со значимыми есть и «бессмысленные»
кодоны (терминирующие – УАА, УАГ, УГА)

21. Образование инициирующей аминоацил-тРНК

ОБРАЗОВАНИЕ ИНИЦИИРУЮЩЕЙ АМИНОАЦИЛ-ТРНК
S
СН3
S
АТФ
СН2
СН2
фМет
+ тРНК
СН NH2
COOH
метионин
АМФ + РРi
метионил-тРНКсинтетаза
СН3
СН2
СН2
СН NH2
фМет
CO ~ тРНК
фМет
метионил-тРНК
N10-CHO-ТГФК
трансформилаза
S
ДГФК
СН3
СН2
СН2
СН NH C
O
H
фМет
CO ~ тРНК
фМет
N-формилметионил-тРНК

22. Образование инициирующего комплекса

ОБРАЗОВАНИЕ ИНИЦИИРУЮЩЕГО КОМПЛЕКСА
40S-субъединица
мРНК
(eIF-3)
(40S) (мРНК)
(eIF-2, ГТФ,
eIF-1)
Мет-тРНКМет
(40S) (мРНК) (Мет-тРНКМет)
60S-субъединица
(40S) (мРНК) (Мет-тРНКМет) (60S)

23. Инициация трансляции

ИНИЦИАЦИЯ ТРАНСЛЯЦИИ

24.

25. Удлинение полипептидной цепи

УДЛИНЕНИЕ ПОЛИПЕПТИДНОЙ ЦЕПИ

26. Строение полирибосомы

СТРОЕНИЕ ПОЛИРИБОСОМЫ

27. Посттрансляционный процессинг

ПОСТТРАНСЛЯЦИОННЫЙ ПРОЦЕССИНГ
Модификация N-конца полипептидной цепи
Фолдинг (формирование пространственной
структуры)
Химическая модификация (гидроксилирование,
гликозилирование и др.)
Присоединение простетических групп (у
гетеропротеинов)
Объединение протомеров при образовании
олигомерных белков
Присоединение сигнальных пептидов для
выхода белка из клетки

28. Регуляция биосинтеза

РЕГУЛЯЦИЯ БИОСИНТЕЗА

29. Действие регуляторных белков

ДЕЙСТВИЕ
РЕГУЛЯТОРНЫХ БЕЛКОВ

30. Действие антибиотиков

ДЕЙСТВИЕ АНТИБИОТИКОВ

31. Типы генов в геноме

ТИПЫ ГЕНОВ В ГЕНОМЕ
Структурные
гены (кодируют белки)
Регуляторные
гены:
Гены-регуляторы (регулируют работу структурных
генов)
Процессинг-гены (регулируют
посттранскрипционные и посттрансляционный
процессинг)
Темпоральные гены (включают в работу
структурные гены в ходе клеточной
дифференцировки)

32. Клеточная дифференцировка

КЛЕТОЧНАЯ ДИФФЕРЕНЦИРОВКА
Hb P (Е)
Hb F
эмбриональный
Нb плода
α2 ε2
α2 γ 2
Hb A
Hb A2
(гемоглобин взрослых)
α2 β2
α2 δ 2

33. Классификация мутаций

КЛАССИФИКАЦИЯ МУТАЦИЙ
мутации
спонтанные
генные
моногенные
индуцируемые
хромосомные
геномные
по
локализации
полигенные
таутомерные
превращения
замещения
нейтральные
по
условиям
включение
аналогов
вставки
делеции
по
механизму
по типу
повреждения
по
проявлению
положительные отрицательные
"молчащие"
патологические

34. Типы мутаций

ТИПЫ МУТАЦИЙ
Тип мутаций
Геномные
Характер мутационных
изменений
Изменение числа хромосом
Хромосомные Общее число хромосом не
меняется. Наблюдается
перестройки хромосом,
обычно видимые при
микроскопическом
исследовании
Генные
Изменения затрагивают один
кодон или небольшой отрезок
гена и не обнаруживаются
цитогенетически

35.

Типы генных мутаций
НОРМА
ЗАМЕЩЕНИЕ
ДЕЛЕЦИЯ
ВСТАВКА
ИНВЕРСИЯ
АТЦ
АТТ
АТГ
АТА
АЦТ
ГЦА
ГЦА
ЦАА
ЦГЦ
ГЦА
ААТ
ААТ
АТ
ААА Т
ААТ

36. Проявления мутаций

ПРОЯВЛЕНИЯ МУТАЦИЙ
Вид мутации
Изменения в
структуре ДНК
Изменения в
структуре белка
Замена:
нейтральная без
Замена в кодоне
Белок не изменён
изменения смысла одного нуклеотида
кодона
другим
«миссенс-мутация»
Замена одной
с изменением
аминокислоты на
смысла кодона
другую
«нонсенс-мутация»
На мутантном
с образованием
триплете синтез
терминирующего
пептидной цепи
кодона
прекращается

37.

Вставка:
без сдвига рамки
считывания
информации
со сдвигом рамки
считывания
информации
Делеция:
без сдвига рамки
считывания
информации
Включение нуклеотидов в
структуру ДНК
Вставка фрагмента ДНК из 3
нуклеотидов или числа
нуклеотидов, кратного 3
Вставка 1 нуклеотида или
нескольких нуклеотидов в
количестве, не кратном 3
Удлинение полипептидной
цепи
Удлинение полипептидной
цепи на одну или несколько
аминокислот
Белок за местом мутации
имеет «случайную»
последовательность
аминокислот
Укорочение белка
Выпадение нуклеотидов и
укорочение молекулы ДНК
Выпадение фрагмента ДНК Укорочение полипептидной
из 3 нуклеотидов или числа цепи на одну или несколько
нуклеотидов, кратного 3
аминокислот

38. Механизмы увеличения числа и разнообразия генов в геноме

МЕХАНИЗМЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ЧИСЛА И
РАЗНООБРАЗИЯ ГЕНОВ В ГЕНОМЕ
1. Полная редубликация гена с последующими независимыми
мутациями.
Синтез цепей гемоглобина
ген
ген
ген
ген
ген
ген
ген
2. Полная редубликация с последующим слиянием одной
пары
3. Кроссинговер
4. Амплификация

39. Механизмы увеличения числа и разнообразия генов в геноме (кроссинговер)

МЕХАНИЗМЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ЧИСЛА И
РАЗНООБРАЗИЯ ГЕНОВ В ГЕНОМЕ
(КРОССИНГОВЕР)

40. Механизмы увеличения числа и разнообразия генов в геноме (амплификация)

МЕХАНИЗМЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ЧИСЛА И
РАЗНООБРАЗИЯ ГЕНОВ В ГЕНОМЕ
(АМПЛИФИКАЦИЯ)

41. Полиморфизм белков

ПОЛИМОРФИЗМ БЕЛКОВ
полиморфизм лактатдегидрогеназы
Н Н
Н Н
Н Н
Н М
М М
Н Н
Н М
М М
М М
М М
ЛДГ1
ЛДГ2
ЛДГ3
ЛДГ4
ЛДГ5
полиморфизм гаптоглобинов
Hp =
S
F

42. Группы крови

ГРУППЫ КРОВИ

43. Характеристика групп крови

ХАРАКТЕРИСТИКА ГРУПП КРОВИ
Антигены
эритроцитов
Нет
А
В
Генотипы
00
Антитела в
сыворотке
крови
Анти-А и
анти-В
Анти-В
Анти-А
нет
0 (I)
A (II)
B (III)
AB (IV)
45
40
10
5
Группы
крови
Частота (%)
АА или А0 ВВ или В0
АВ
АВ

44. Типы гемоглобинов

ТИПЫ ГЕМОГЛОБИНОВ
Hb A = α2 β2
Hb F = α2 γ2
HbBart = γ4
Hb H = β4
талассемии
HbKansas = β 102асп→тре
HbHiroshima = β 146гис→асп
Hb S = β 6глу→вал

45. Схема возникновения наследственных болезней

СХЕМА ВОЗНИКНОВЕНИЯ НАСЛЕДСТВЕННЫХ БОЛЕЗНЕЙ
ДНК
Структурные гены
м-РНК
т-РНК
р-РНК
Регуляторные гены
(не кодируют структуру, а
контролируют
экспрессию генов)
дефект на уровне
транскрипции трансляции
синтезируется дефектный
белок
изменяется количество
белка
протеинопатия
ферментопатия
неферментная
протеинопатия
метаболические
неметаболические
нарушения
нарушения
наследственная болезнь

46. Биохимические проявления наследственных болезней

БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ
НАСЛЕДСТВЕННЫХ БОЛЕЗНЕЙ
ген А
А
ЕА
ген В
В
ЕВ*
С
ген C
ген D
ЕС
ЕD
D
K
Возможные проявления нарушений:
1. накопление В
2. отсутствие С
3. появление К
F

47. Клинические проявления наследственных болезней

КЛИНИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ НАСЛЕДСТВЕННЫХ
БОЛЕЗНЕЙ